subnivelul de acces la mediu - digital.ubm.rodigital.ubm.ro/?download=computer networks cap...

223

4 SUBNIVELUL DE ACCES LA MEDIU

A a cum am ar!tat în Cap. ", re#elele pot fi împ!r#ite în dou! categorii: cele care utilizeaz! cone-xiuni punct-la-punct i cele care utilizeaz! canale cu difuzare (broadcast channels). Acest capitol se ocup! de re#elele cu difuzare (broadcast networks) i de protocoalele lor.

În orice re#ea cu difuzare, una dintre probleme este determinarea utilizatorului cu drept de acces la canal în cazul în care exist! mai mul#i utilizatori concuren#i. Pentru a l!muri lucrurile, s! conside-r!m o teleconferin#! în care ase persoane, vorbind de la ase telefoane diferite, sunt conectate astfel încât fiecare îi poate auzi pe ceilal#i i poate vorbi cu ei. Este foarte probabil ca atunci când cineva se opre te din vorbit, doi sau mai mul#i s! înceap! s! vorbeasc! simultan, ceea ce va duce la haos. Într-o întâlnire fa#!-în-fa#!, haosul este evitat prin mijloace externe - de exemplu, prin ridicarea mâinii pen-tru a cere permisiunea de a vorbi. Când este disponibil un singur canal de comunica#ie, este mult mai greu s! determini cine urmeaz! s! ia cuvântul. Sunt cunoscute multe protocoale de rezolvare a acestei probleme i ele constituie con#inutul acestui capitol. În literatura de specialitate, canalele cu difuzare sunt uneori numite canale multiacces (multiaccess channels), sau canale cu acces aleator

(random access channels). Protocoalele folosite pentru a determina cine urmeaz! într-un canal multiacces apar#in unui

subnivel al nivelului leg!tur! de date, numit subnivelul MAC (Medium Access Control, rom: contro-lul accesului la mediu). Subnivelul MAC este important mai ales pentru re#elele de tip LAN – Local Area Network (le vom numi prescurtat LAN-uri), care utilizeaz! aproape toate un canal multiacces ca baz! pentru comunica#ie. Din contr!, re#elele de tip WAN – Wide Area Network (le vom numi WAN-uri) utilizeaz! leg!turi punct-la-punct, cu excep#ia re#elelor prin satelit. Datorit! faptului c! LAN-urile i canalele multiacces sunt atât de strâns legate, în acest capitol vom discuta la modul general atât despre LAN-uri cât i despre re#ele prin satelit i alte re#ele cu difuzare. Deoarece cana-lele multiaccess i re#elele locale sunt subiecte atât de apropiate, în acest capitol vom discuta mai

224 SUBNIVELUL DE ACCES LA MEDIU CAP. 4

multe subiecte legate de re#elele locale în general, incluzând i subiecte care nu sunt strict specifice subnivelului MAC.

Tehnic vorbind, subnivelul MAC reprezint! partea de jos a nivelului leg!tur! de date, deci logic ar fi fost s! îl fi studiat înainte de a trece în revist! toate protocoalele punct-la-punct din cap. 3. Dar, pentru majoritatea oamenilor, în#elegerea protocoalelor care implic! mai multe p!r#i este mai u oa-r! dup! ce au în#eles bine protocoalele care implic! numai dou! p!r#i. Pentru acest motiv am deviat pu#in de la stilul de prezentare strict ascendent al ierarhiei re#elelor.

4. PROBLEMA ALOC!RII CANALULUI

Tema central! a acestui capitol o reprezint! modul de alocare a unui singur canal cu difuzare în-tre mai mul#i utilizatori concuren#i. Mai întâi vom arunca o privire de ansamblu asupra schemelor statice i dinamice de alocare. Apoi vom studia câ#iva algoritmi specifici.

4. . Alocarea static" a canalului în re#elele LAN $i MAN

Modul tradi#ional de alocare a unui singur canal, cum ar fi cablul telefonic, între mai multi utili-zatori concuren#i este multiplexarea cu diviziunea frecven#ei (FDM – Frequency Division Multiplex-ing). Dac! exist! N utilizatori, banda de transmisie este împ!r#it! în N p!r#i egale (vezi fig. 2-24), fiec!rui utilizator fiindu-i alocat! una dintre acestea. Deoarece fiecare utilizator are o band! de frec-ven#! proprie, nu exist! interferen#e între utilizatori. Atunci când exist! doar un num!r mic i con-stant de utilizatori, fiecare având un trafic înc!rcat ( i bazat pe utilizarea zonelor tampon), cum ar fi, de exemplu, oficiile de comutare ale companiilor de telecomunica#ie, FDM este un mecanism de alocare simplu i eficient.

Cu toate acestea, atunci când num!rul emi#!torilor este mare i variaz! în permanen#!, sau când traficul este de tip rafal!, FDM prezint! câteva probleme. Dac! spectrul benzii este împ!r#it în N regiuni i sunt mai pu#in de N utilizatori care vor s! comunice, o bun! parte din band! se va risipi. Dac! sunt mai mult de N utilizatori care vor s! comunice, unii dintre ei nu o vor putea face, din lips! de spa#iu în banda de transmisie, chiar dac! exist! utilizatori care au primit câte o parte din band! i transmit sau recep#ioneaz! mesaje extrem de rar.

Chiar dac! presupunem c! num!rul utilizatorilor ar putea fi men#inut în vreun fel constant la va-loarea N, divizarea singurului canal disponibil în subcanale statice este, evident, ineficient!. Principa-la problem! este c! atunci când unii utilizatori sunt inactivi, bucata lor de band! se pierde pur i sim-plu. Ei nu o folosesc, dar nici al#ii nu au voie s! o utilizeze. Mai mult, în majoritatea sistemelor de calcul, traficul de date este extrem de diferen#iat (sunt uzuale raporturi de "000:" între traficul de vârf i cel mediu). În consecin#!, majoritatea canalelor vor fi libere în cea mai mare parte a timpului.

Performan#ele slabe ale aloc!rii FDM statice pot fi u or observate dintr-un simplu calcul f!cut cu ajutorul teoriei cozilor. S! lu!m, pentru început, întârzierea medie, T, pentru un canal cu capacitatea C bps, la o rat! a sosirilor de cadre/sec. Fiecare cadru are o lungime dat! de o func#ie de densitate de probabilitate exponen#ial! cu media de "/! bi#i/cadru. Cu ace ti parametri, rata sosirilor este cadre/sec, iar viteza de servire este !C cadre-sec. Din teoria cozilor poate fi demonstrat c! pentru timpi Poisson de sosire i de servire, vom avea

SEC. 4." PROBLEMA ALOC$RII CANALULUI 225

"!

#C

T

De exemplu, dac! C este "00 Mbps, lungimea medie a cadrului, "/!, este de "0.000 de bi#i, iar ra-ta sosirilor, , este 5.000 cadre/sec, atunci T = 200 !s. Trebuie remarcat c! dac! ignoram întârzierea dat! de teoria cozilor i am fi vrut s! determin!m doar cât timp va dura s! trimitem un cadru de "0.000 de bi#i într-o re#ea de "00 Mbps, am fi ob#inut r!spunsul (incorect) de "00 !s. Rezultatul, ast-fel calculat, este corect doar când nu exist! competi#ie pentru canal.

Acum s! diviz!m canalul în N subcanale independente, fiecare cu o capacitate de C/N bps. Rata medie a intr!rilor pe fiecare subcanal va fi acum de /N. Recalculând T vom ob#ine:

NTC

N

NNCTFDM #

"!#

"!#

)/()/(

(4-")

Întârzierea medie la FDM este de N ori mai mare decât în cazul în care toate cadrele ar fi fost, printr-o scamatorie, aranjate în ordine într-o mare coad! central!.

Exact aceea i logic! utilizat! la FDM se poate aplica i la multiplexarea cu diviziunea timpului (TDM - Time Division Multiplexing). Fiec!rui utilizator îi este alocat! static fiecare a N-a cuant!. Dac! un utilizator nu î i folose te timpul alocat, acesta r!mâne nefolosit. Acela i lucru se întâmpl! i dac! diviz!m re#elele în mod fizic. Revenind la exemplul anterior, dac! am înlocui re#eaua de "00 Mbps cu zece re#ele de "0 Mbps fiecare i dac! am aloca static fiec!reia câte un utilizator, întârzierea medie ar s!ri de la 200 µs la 2 ms.

Deoarece nici una dintre metodele statice de alocare a canalului nu func#ioneaz! bine în condi#ii de trafic în rafal!, vom studia în continuare metodele dinamice.

4. .2 Alocarea dinamic" a canalului în re#elele LAN $i MAN

Înainte de a începe prezentarea numeroaselor metode de alocare a canalului, care fac obiectul acestui subcapitol, merit! s! formul!m cu aten#ie problema aloc!rii. La baza întregii activit!#i din acest domeniu stau câteva ipoteze-cheie, descrise în continuare.

". Modelul sta#iilor. Acest model const! din N sta#ii independente (calculatoare, telefoane, dispozitive de comunicare personal! etc.), fiecare având un program sau un utilizator care genereaz! cadre de transmis. Sta#iile sunt uneori denumite terminale. Probabilitatea de ge-nerare a unui cadru într-un interval de lungime $t este $t, unde este o constant! (rata so-sirilor de cadre noi). Odat! ce a fost generat un cadru, sta#ia se blocheaz! i nu mai face ni-mic pân! la transmiterea cu succes a cadrului.

2. Ipoteza canalului unic. Exist! un singur canal accesibil pentru toate comunica#iile. Toate sta#iile pot transmite prin el i pot recep#iona de la el. În ceea ce prive te partea de hardwa-re, toate sta#iile sunt echivalente, de i protocolul software le poate acorda priorit!#i diferite.

3. Ipoteza coliziunii. Dac! dou! cadre sunt transmise simultan, ele se suprapun, iar semnalul rezultat va fi neinteligibil. Acest eveniment se nume te coliziune. Toate sta#iile pot detecta coliziuni. Un cadru care a intrat în coliziune cu un alt cadru trebuie retransmis ulterior. Nu exist! alte erori în afara celor generate de coliziuni.

4. Timp continuu. Transmisia cadrelor poate surveni în orice moment. Nu exist! un ceas co-mun, care s! împart! timpul în intervale discrete.


5. Timp discret. Timpul este împ!r#it în intervale discrete (cuante). Transmisia cadrelor por-ne te întotdeauna la începutul unei cuante. O cuant! poate con#ine 0, ", sau mai multe ca-dre, corespunz!tor unei cuante de a teptare, unei transmisiuni efectuate cu succes sau, res-pectiv, unei coliziuni.

6. Detec#ia purt"toarei. Sta#iile pot afla dac! un canal este liber sau nu înainte de a încerca s!-l utilizeze. Dac! el este deja ocupat, nici o sta#ie nu va mai încerca s! îl utilizeze pân! când nu se va elibera.

7. Nedetec#ia purt"toarei. Sta#iile nu pot afla starea canalului înainte de a încerca s! îl utilizeze. Ele pur i simplu încep s! transmit!. Abia dup! aceea vor putea determina dac! transmisia s-a efectuat cu succes sau nu.

Este momentul s! discut!m pu#in despre aceste ipoteze. Prima dintre ele spune c! sta#iile sunt independente, iar cadrele sunt generate cu o frecven#a constant!. De asemenea, se presupune impli-cit c! transmisia fiec!rei sta#ii este controlat! de un singur program sau de un singur utilizator, deci atâta timp cât sta#ia este blocat!, ea nu va genera noi cadre. Modelele mai sofisticate permit existen-#a sta#iilor multiprogramate, care pot genera noi cadre în timp ce sta#ia este blocat!, dar analiza acestor sta#ii este mult mai complex!.

Ipoteza canalului unic este de fapt inima problemei. Nu exist! mijloace externe de comunicare. Sta#iile nu pot ridica mâinile pentru a cere profesorului permisiunea de a vorbi.

Ipoteza coliziunii este, de asemenea, o ipotez! de baz!, de i în unele sisteme (între care remar-c!m sistemele cu spectru larg de transmisie) ea este relaxat!, cu rezultate surprinz!toare. De aseme-nea, unele LAN-uri, cum ar fi cele de tip token-ring, utilizeaz! un mecanism de eliminare a conflic-telor, care elimin! coliziunile.

Exist! dou! ipoteze alternative despre timp. Într-una din ele timpul este continuu, iar în cealalt! este discret. Unele sisteme consider! timpul într-un fel, altele în cel!lalt fel, a a c! le vom discuta i analiza pe amândou!. Evident, pentru un sistem dat, numai una dintre ipoteze este valabil!.

În mod similar, o re#ea poate avea sau nu facilit!#i de detec#ie a purt!toarei. Re#elele LAN au în general detec#ie de purt!toare, dar re#elele prin satelit nu (datorit! întârzierii mari de propagare). Sta#iile din re#elele cu detec#ie de purt!toare î i pot termina transmisia prematur, dac! descoper! c! au intrat în coliziune cu o alt! transmisie. De notat c! aici în#elesul cuvântului „purt!toare” se refer! la semnalul electric de pe cablu i nu are nimic de a face cu vreun alt tip de purt!toare.

4.2 PROTOCOALE CU ACCES MULTIPLU

Sunt cunoscu#i mul#i algoritmi de alocare a unui canal cu acces multiplu. În sec#iunile care ur-meaz! vom studia un e antion reprezentativ al celor mai interesan#i algoritmi i vom da exemple de utilizare a lor.

4.2. ALOHA

În anii '70, Norman Abramson i colegii s!i de la Universitatea din Hawaii au elaborat o nou! i elegant! metod! de rezolvare a problemei aloc!rii canalului. De atunci, munca lor a fost continuat! de mul#i cercet!tori (Abramson, "985). De i realizarea lui Abramson, numit! sistemul ALOHA,

SEC. 4.2 PROTOCOALE CU ACCES MULTIPLU 227

utiliza difuzarea prin radio de la sol, ideea de baz! se poate aplica la orice sistem în care utilizatori ce nu pot fi localiza#i concureaz! la utilizarea unui unic canal partajat.

Vom discuta dou! versiuni ale protocolului ALOHA: ALOHA pur i ALOHA cuantificat. Ele difer! prin faptul c! timpul este sau nu divizat în intervale discrete, în care trebuie s! se potriveasc! orice cadru. ALOHA pur nu cere sincronizare de timp global!, pe când ALOHA cuantificat cere.

ALOHA pur Ideea de baz! într-un sistem ALOHA este simpl!: utilizatorii sunt l!sa#i s! transmit! ori de câte

ori au date de trimis. Bineîn#eles c! vor exista coliziuni, iar cadrele intrate în coliziune vor fi distruse. Oricum, datorit! propriet!#ii de reac#ie a difuz!rii, un emi#!tor poate afla oricând dac! mesajul s!u a fost distrus, ascultând canalul, la fel ca i ceilal#i utilizatori. Într-o re#ea LAN, reac#ia este imediat!; într-o re#ea prin satelit, exist! o întârziere de 270 ms înainte ca emi#!torul s! afle dac! transmisia s-a încheiat cu succes. În cazul în care cadrul trimis a fost distrus, emi#!torul a teapt! un interval oareca-re de timp i îl trimite din nou. Timpul de a teptare trebuie s! fie aleatoriu, altfel acelea i cadre vor intra în coliziune iar i iar, blocându-se reciproc la nesfâr it. Sistemele în care mai mul#i utilizatori partajeaz! un canal comun într-un mod care poate duce la conflicte sunt cunoscute sub numele de sisteme cu conflicte (contention systems).

În fig. 4-" este prezentat! o schi#! de generare a cadrelor într-un sistem ALOHA. Am ales s! reprezent!m cadre de aceea i lungime, pentru c! productivitatea sistemelor ALOHA este maxi-mizat! în cazul în care avem cadre de lungime uniform!, fa#! de cazul în care avem cadre de lun-gime variabil!.

Fig. 4- . În ALOHA pur, cadrele sunt transmise la momente complet arbitrare.

Ori de câte ori dou! cadre încearc! s! ocupe canalul în acela i timp, se va produce o coliziune i

amândou! vor fi denaturate. Dac! primul bit al unui nou cadru se suprapune cu ultimul bit al unui cadru aproape terminat, amândou! cadrele vor fi total distruse i amândou! vor trebui retransmise mai târziu. Suma de control nu poate ( i nu trebuie) s! disting! între o pierdere total! i o ratare „la musta#!”. Ceea ce este r!u este r!u.

O întrebare foarte interesant! este: care este eficien#a unui canal ALOHA? Cu alte cuvinte, ce frac#iune din cadrele transmise nu intr! în coliziune în aceste circumstan#e haotice? S! consider!m mai întâi o colectivitate infinit! de utilizatori interactivi stând în fa#a calculatoarelor (sta#iilor) lor. Un utilizator este întotdeauna într-una din cele dou! st!ri: introduce caractere sau a teapt!. Ini#ial, to#i utilizatorii sunt în prima stare, scriind. Când termin! o linie, utilizatorul se opre te din scris, a -teptând un r!spuns. Atunci sta#ia transmite pe canal un cadru con#inând linia i verific! dac! trans-


misia s-a efectuat cu succes. Dac! da, utilizatorul vede r!spunsul i se apuc! din nou de scris. Dac! nu, utilizatorul continu! s! a tepte, iar cadrul va fi transmis în mod repetat, pân! când transmisia se va încheia cu succes.

S! numim „interval de cadru” timpul necesar pentru a transmite un cadru standard, de lungime fix! (adic! lungimea cadrului împ!r#it! la rata bi#ilor). Vom presupune c! popula#ia infinit! de utili-zatori genereaz! cadre noi conform unei distribu#ii Poisson cu media de N cadre pe interval de cadru (ipoteza popula#iei infinite este necesar! pentru a ne asigura c! N nu descre te pe m!sur! ce utiliza-torii se blocheaz!). Dac! N > ", utilizatorii genereaz! cadre cu o rat! mai mare decât capacitatea de transmisie a canalului i aproape fiecare cadru va suferi o coliziune. Pentru o productivitate rezona-bil! ar trebui ca 0 < N < ".

În plus fa#! de noile cadre, sta#iile mai genereaz! i copii ale cadrelor care au suferit anterior co-liziuni. S! presupunem în continuare c! probabilitatea de a avea k încerc!ri de transmisie pe interval de cadru, incluzând i retransmisiile, are de asemenea o distribu#ie Poisson, cu media G pe interval de cadru. Evident, G % N. La înc!rcare redus! (adic! N & 0), vor fi pu#ine coliziuni, deci pu#ine re-transmisii, a a c! G & N. La înc!rcare mare vor fi multe coliziuni, deci G > N. Orice înc!rcare am avea, productivitatea este chiar înc!rcarea dat!, G, înmul#it! cu probabilitatea ca o transmisie s! se încheie cu succes - adic! S = GP0, unde P0 este probabilitatea ca un cadru s! nu sufere coliziuni.

Fig. 4-2. Perioada vulnerabil! pentru cadrul umbrit.

Un cadru nu va suferi coliziuni dac! nici un alt cadru nu va fi emis în intervalul de un cadru soco-

tit de la începutul lui, a a cum se arat! în fig. 4-2. În ce condi#ii cadrul umbrit va ajunge întreg? Fie t timpul necesar emisiei unui cadru. Dac! un alt utilizator a generat un cadru între t0 i t0 + t, sfâr itul acelui cadru va intra în coliziune cu începutul cadrului umbrit. De fapt, soarta cadrului umbrit era deja pecetluit! chiar înainte de transmisia primului bit, dar cum în ALOHA pur, o sta#ie nu ascult! canalul înainte de transmisie, nu are cum s! tie c! un alt cadru se afl! deja în curs de transmisie. Similar, orice alt cadru care începe între t0 + t i t0 + 2t va nimeri peste sfâr itul cadrului umbrit.

Probabilitatea ca într-un interval de cadru dat s! fie generate un num!r k de cadre este modelat! de distribu#ia Poisson:

!

]Pr[k

eGk

Gk "

# (4-2)


deci probabilitatea gener!rii a zero cadre este doar e-G. Într-o perioad! de timp cât dou! intervale de cadru, media num!rului de cadre generate este 2G. Astfel, probabilitatea ca nici o transmisie s! nu înceap! în timpul perioadei de timp vulnerabile este dat! de P0 = e-2G. Luând S = GP0, ob#inem: GGeS 2"#

Fig. 4-3. Productivitatea în func#ie de traficul oferit pentru sistemele ALOHA.

Rela#ia dintre traficul oferit i productivitate este prezentat! în fig. 4-3. Productivitatea maxim!

este ob#inut! la G = 0.5, cu S = "/2e, adic! aproximativ 0."84. Cu alte cuvinte, cea mai bun! perfor-man#! la care putem spera este o utilizare a canalului de "8 procente. Acest rezultat nu este prea încurajator, dar, în situa#ia aceasta în care fiecare utilizator transmite la dorin#!, cu greu ne-am fi putut a tepta la o performan#! de sut! la sut!.

ALOHA cuantificat În "972, Roberts a publicat o metod! de dublare a capacit!#ii unui sistem ALOHA (Roberts,

"972). Propunerea lui era s! se împart! timpul în intervale discrete, fiecare interval corespunzând unui cadru. Aceast! abordare cere ca utilizatorii s! cad! de acord asupra m!rimii cuantelor. O cale de a ob#ine sincronizarea ar fi ca o sta#ie special! s! emit! un „bip” la începutul fiec!rui interval, ca un tact de ceas.

În metoda lui Roberts, care a devenit cunoscut! sub numele de ALOHA cuantificat (slotted

ALOHA), în contrast cu metoda lui Abramson - ALOHA pur (pure ALOHA), unui calculator nu îi este permis s! emit! ori de câte ori este ap!sat! tasta „Return”. El este nevoit s! a tepte începutul urm!toarei cuante. Astfel, protocolul ALOHA pur este transformat din continuu în discret. Deoa-rece acum perioada vulnerabil! este înjum!t!#it!, probabilitatea ca în intervalul cadrului nostru de test s! nu mai apar! un alt trafic este e-G, ceea ce conduce la:

GGeS "# (4-3)

A a cum reiese din fig. 4-3, ALOHA cuantificat prezint! un maxim la G = ", cu o productivitate de S = "/e, adic! aproximativ 0.368, dublu fa#! de ALOHA pur. Dac! sistemul opereaz! la G = ", probabilitatea unei cuante neutilizate este 0.368 (din ecua#ia 4-2). Cea mai bun! performan#! la care ne putem a tepta de la ALOHA cuantificat este: 37% din cuante neutilizate, 37% cadre transmise cu succes i 26% coliziuni. Lucrul cu valori mai mari ale lui G reduce num!rul cuantelor neutilizate, dar îl m!re te exponen#ial pe cel al coliziunilor. Pentru a vedea cum se explic! rapida cre tere a nu-


m!rului coliziunilor odat! cu G, s! consider!m transmisia unui cadru de test. Probabilitatea ca el s! evite o coliziune este e-G, adic! probabilitatea ca to#i ceilal#i utilizatori s! nu transmit! în acest inter-val. Probabilitatea unei coliziuni este deci " - e-G. Probabilitatea ca o transmisie s! se efectueze exact din k încerc!ri (adic! dup! k - " coliziuni, urmate de un succes) este

) ( """ "# kGG

keeP

Num!rul de transmisii prognozat pentru fiecare ap!sare a tastei „Return”, E, este deci

GkG

k

G

k

keekekPE #"## ""

'

#

"'

#((

) (

Ca urmare a dependen#ei exponen#iale a lui E fa#! de G, cre teri mici ale înc!rc!rii canalului pot reduce drastic performan#ele sale.

ALOHA cuantificat este important pentru un motiv care poate nu este evident la prima vedere. A fost conceput în anii `70, a fost folosit în câteva sisteme experimente timpurii, apoi a fost aproape uitat. Când a fost inventat accesul la Internet prin cablu a ap!rut dintr-o dat! problema aloc!rii unui singur canal între utilizatori multipli afla#i în concuren#! – astfel încât ALOHA cuantificat a fost scos de la naftalin! pentru a salva situa#ia. S-a întâmplat frecvent ca protocoale perfect valide s! fie date uit!rii din motive politice (de exemplu, deoarece o mare companie vrea ca toat! lumea s! fac! lucru-rile a a cum zice ea), dar la ani distan#! o persoan! inteligent! descoper! c! un protocol de mult uitat rezolva o anumit! problem! curent!. Din acest motiv, în acest capitol vom studia un num!r de protocoale elegante care nu sunt actualmente folosite la scar! larg!, dar care ar putea foarte simplu s! fie utile în aplica#iile viitorului, dac! suficien#i ingineri de re#ea sunt con tien#i de existen#a lor. Desigur, vom studia mai multe protocoale aflate în folosin#! curent!.

4.2.2 Protocoale cu acces multiplu $i detec#ie de purt"toare

Cu ALOHA cuantificat se poate atinge un grad de utilizare a canalului de pân! la "/e. Acest lu-cru nu este surprinz!tor, dac! ne gândim c! sta#iile transmit când doresc, f!r! a fi atente la ceea ce fac celelalte sta#ii i, în consecin#!, vor exista numeroase coliziuni. Oricum, în re#elele locale, sta#iile pot detecta ce fac celelalte sta#ii i î i pot adapta comportamentul în mod corespunz!tor. Astfel de re#ele pot ob#ine un grad de utilizare mult mai bun! decât "/e. În aceast! sec#iune vom discuta câte-va protocoale pentru îmbun!t!#irea a performan#ei.

Protocoalele în care sta#iile ascult! pentru a detecta o purt!toare (adic! o transmisie) i ac#io-neaz! corespunz!tor se numesc protocoale cu detec#ie de purt"toare (carrier sense protocols). Kleinrock i Tobagi ("975) au analizat în detaliu câteva protocoale de acest tip. În continuare vom prezenta câteva versiuni ale protocoalelor cu detec#ie de purt!toare.

CSMA persistent $i nepersistent Primul protocol cu detec#ie de purt!toare pe care îl vom studia în acest material se nume te

CSMA -persistent (Carrier Sense Multiple Access, rom: acces multiplu cu detec#ie de purt!toare). Atunci când o sta#ie are date de transmis, mai întâi ascult! canalul pentru a vedea dac! nu cumva transmite altcineva în acel moment. În cazul în care canalul este ocupat, sta#ia a teapt! pân! la elibe-rarea sa. Atunci când sta#ia detecteaz! canalul liber, transmite un cadru. Dac! se produce o coliziune, sta#ia a teapt! o perioad! aleatorie de timp i o ia de la început. Protocolul se cheam! "-persistent, pentru c! probabilitatea ca o sta#ie s! transmit! atunci când g!se te canalul liber este egal! cu ".


Întârzierea de propagare are o influen#! important! asupra performan#ei protocolului. Exist! o oarecare ans! ca, imediat dup! ce o sta#ie începe s! transmit!, o alt! sta#ie s! devin! preg!tit! de transmisie i s! asculte canalul. Dac! semnalul primei sta#ii nu a ajuns înc! la cea de-a doua, aceasta din urm! va detecta canalul liber i va începe la rândul ei s! emit!, rezultând o coliziune. Cu cât este mai mare întârzierea de propagare, cu atât acest efect devine mai important, iar performan#a proto-colului scade.

Chiar dac! întârzierea de propagare ar fi zero, tot s-ar mai produce coliziuni. Dac! dou! sta#ii devin gata de transmisie în timpul transmisiunii unei a treia sta#ii, amândou! vor a tepta politicos pân! la sfâr itul ei, dup! care vor începe s! transmit! simultan, producându-se o coliziune. Dac! ele nu ar fi atât de ner!bd!toare, s-ar produce mai pu#ine coliziuni. Chiar i a a, acest protocol este semnificativ mai bun decât ALOHA pur, întrucât ambele sta#ii au bunul sim# s! nu interfereze cu cadrul celei de-a treia sta#ii. Intuitiv, acest fapt va conduce la o performan#! mai bun! decât ALOHA pur. Acela i lucru este valabil i pentru ALOHA cuantificat.

Fig. 4-4. Compara#ie între utiliz!rile canalului în func#ie de înc!rcare, pentru diferite protocoale cu acces aleator.

Un al doilea protocol cu detec#ie de purt!toare este CSMA nepersistent (nonpersistent CSMA).

În acest protocol, o încercare con tient! de transmisie este mai pu#in „lacom!” decât în cel anterior. Înainte de a emite, sta#ia ascult! canalul. Dac! nimeni nu emite, începe ea s! emit!. Dac! îns! cana-lul este ocupat, sta#ia nu r!mâne în continuu în ascultare, pentru a-l ocupa imediat dup! detectarea sfâr itului transmisiei precedente. În schimb, a teapt! o perioad! aleatorie de timp i apoi repet! algoritmul. Intuitiv, acest algoritm ar trebui s! conduc! la o utilizare mai bun! a canalului, dar i la întârzieri mai mari decât la CSMA "-persistent.

Ultimul protocol este CSMA p-persistent (p-persistent CSMA). El se aplic! la canalele cuantificate i func#ioneaz! dup! cum urmeaz!. Când o sta#ie este gata s! emit!, ea ascult! canalul. Dac! acesta este liber, sta#ia va transmite cu o probabilitate p. Cu probabilitatea q = " – p, sta#ia va a tepta urm!toarea cuant!. Dac! aceast! cuant! este de asemenea liber!, va transmite sau va a tepta din nou, cu probabilit!#ile p i respectiv q. Acest proces este repetat pân! când cadrul este transmis sau pân! când o alt! sta#ie începe s! transmit!. În ultimul caz, sta#ia se comport! ca i când s-ar fi produs o coliziune (adic! a teapt! o perioad! aleatorie de timp i porne te iar). Dac! ini#ial sta#ia detecteaz! canalul ocupat, a teapt! cuanta urm!toare i aplic! algoritmul de mai sus. Fig. 4-4


z! canalul ocupat, a teapt! cuanta urm!toare i aplic! algoritmul de mai sus. Fig. 4-4 arat! producti-vitatea în func#ie de traficul oferit pentru toate cele trei protocoale, precum i pentru ALOHA pur i ALOHA cuantificat.

CSMA cu detec#ia coliziunii Protocoalele CSMA persistent i nepersistent reprezint! în mod cert o îmbun!t!#ire fa#! de

ALOHA, pentru c! au grij! ca nici o sta#ie s! nu înceap! s! transmit! atunci când canalul este ocu-pat. O alt! îmbun!t!#ire este abandonarea transmisiei îndat! ce se detecteaz! o coliziune. Cu alte cuvinte, dac! dou! sta#ii g!sesc canalul liber i încep s! transmit! simultan, amândou! vor detecta coliziunea aproape imediat. Decât s! î i termine de transmis cadrele, care oricum sunt iremediabil denaturate, sta#iile î i vor termina brusc transmisia imediat dup! detectarea coliziunii. Terminând repede cu cadrele distruse, se salveaz! timp i l!rgime de band!. Acest protocol, cunoscut sub nume-le de CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, rom: acces multiplu cu detec#ia purt!toarei i a coliziunii), este des întrebuin#at în LAN-uri în subnivelul MAC. În particu-lar, este baza popularului Ethernet LAN, astfel încât merit! efortul s! îl analiz!m în detaliu.

CSMA/CD, ca i multe alte protocoale de LAN, utilizeaz! modelul conceptual din fig. 4-5. În momentul marcat cu t0, o sta#ie oarecare î i termin! de transmis cadrul. Acum orice alt! sta#ie care are de transmis un cadru poate încerca s! transmit!. Dac! dou! sau mai multe sta#ii se decid s! transmit! simultan, se va produce o coliziune. Coliziunile pot fi detectate urm!rind puterea sau l!#i-mea impulsului semnalului recep#ionat i comparându-le cu semnalul transmis.

Fig. 4-5. CSMA/CD se poate afla într-una din urm!toarele st!ri: conflict,

transmisie sau inactiv. Dup! ce o sta#ie a detectat o coliziune, î i abandoneaz! transmisia, a teapt! o perioad! de timp

oarecare i încearc! din nou, dac! nici o alt! sta#ie nu a început s! transmit! între timp. De aceea, modelul nostru pentru CSMA/CD va fi alc!tuit alternativ din perioade de timp cu transmisii i pe-rioade de timp de conflict, având i perioade de a teptare, când toate sta#iile tac (de exemplu, din lips! de activitate).

S! privim acum mai îndeaproape detaliile algoritmului de tratare a conflictelor. S! presupunem c! dou! sta#ii încep s! transmit! simultan, exact la momentul t0. Cât timp le va lua ca s!- i dea seama c! s-a produs o coliziune? R!spunsul la aceast! întrebare este vital pentru determinarea m!rimii perioadei de conflict, deci i a întârzierii i a productivit!#ii. Timpul minim de detectare a coliziunii este chiar timpul necesar propag!rii semnalului de la o sta#ie la alta.

Bazându-ne pe acest ra#ionament, am putea crede c! o sta#ie care nu detecteaz! nici o coliziune într-o perioad! de timp egal! cu timpul de propagare pe toat! lungimea cablului, perioad! m!surat! de la începutul transmisiei, poate fi sigur! c! a ocupat canalul. Prin „ocupat” în#elegem c! toate cele-


lalte sta#ii tiu c! ea transmite i nu vor interfera cu ea. Aceast! concluzie este gre it!. S! consider!m cazul cel mai defavorabil, descris în urm!torul scenariu. Fie ) timpul de propagare a semnalului între sta#iile cele mai îndep!rtate. La t0, o sta#ie începe s! transmit!. La t0 + () - *), cu o clip! înainte ca semnalul s! ajung! la cea mai îndep!rtat! sta#ie, aceasta începe la rândul ei s! transmit!. Bineîn#eles, ea detecteaz! coliziunea aproape instantaneu i se opre te, dar scurta rafal! de zgomot produs! de coliziune nu se va întoarce la sta#ia de origine decât dup! 2) - *. Cu alte cuvinte, în cel mai r!u caz, o sta#ie nu poate fi sigur! c! a ocupat canalul decât dup! ce a transmis timp de 2) f!r! a detecta vreo coliziune. Din acest motiv vom modela intervalul de conflict ca un sistem ALOHA cuantificat, cu dimensiunea cuantei 2). Pe un cablu coaxial de " km, ) & 5 !s. Simplificând, vom presupune c! fieca-re cuant! con#ine un singur bit. Bineîn#eles c!, odat! ce canalul a fost ocupat, o sta#ie poate transmi-te cu orice rat! dore te, nu neap!rat doar " bit la 2) sec.

Este important s! în#elegem c! detec#ia coliziunii este un proces analogic. Echipamentul sta#iei trebuie s! asculte cablul în timp ce transmite. Dac! ceea ce recep#ioneaz! este diferit fa#! de ceea ce transmite, înseamn! c! se produce o coliziune. A adar, codificarea semnalului trebuie s! permit! detectarea coliziunilor (de exemplu, o coliziune a dou! semnale de 0 vol#i poate fi imposibil de de-tectat). Din acest motiv, de obicei se utilizeaz! codific!ri speciale.

Este de asemenea important de observat c! o sta#ie care transmite trebuie s! monitorizeze conti-nuu semnalul, s! asculte zgomotele care pot indica o coliziune. Din acest motiv, CSMA/CD cu un singur canal este în mod inerent un sistem jum!tate-duplex (half-duplex). Este imposibil ca o sta#ie s! transmit! i s! primeasc! cadre simultan datorit! faptului c! logica primirii cadrelor este activ!, verificând coliziunile în timpul fiec!rei transmisiuni.

Pentru a evita orice neîn#elegere, e bine s! not!m c! nici un protocol al subnivelului MAC nu ga-ranteaz! o livrare corect! a cadrelor. Chiar i în absen#a coliziunilor, receptorul poate s! nu fi copiat corect cadrul din diverse motive (de exemplu, lips! de spa#iu în zona tampon, sau o întrerupere ratat!).

4.2.3 Protocoale f"r" coliziuni

De i în CSMA/CD nu apar coliziuni dup! ce o sta#ie a ocupat efectiv canalul, ele mai pot ap!-rea în perioada de conflict. Aceste coliziuni afecteaz! negativ performan#a sistemului, mai ales atunci când cablul este lung (adic! ) mare), iar cadrele scurte. Pe m!sur! ce re#elele bazate pe fibre optice foarte lungi i cu l!rgime mare de band! sunt tot mai folosite, combina#ia de valori mari pen-tru ) i cadre scurte va deveni o problem! din ce în ce mai serioas!. În aceast! sec#iune vom exami-na câteva protocoale care rezolv! conflictul pentru canal f!r! nici o coliziune, nici m!car în perioa-da de conflict.

În protocoalele ce vor fi descrise în continuare, vom presupune c! exist! N sta#ii, fiecare având o adres! unic! fix!, cuprins! între 0 i N - ". Nu conteaz! dac! unele sta#ii sunt inactive o parte din timp. Întrebarea de baz! r!mâne: care sta#ie va primi canalul dup! o transmisie efectuat! cu succes? Vom continua s! folosim modelul din fig. 4-5, cu cuantele sale discrete de conflict.

Protocolul Bit-Map (cu hart" de bi#i) În primul nostru protocol f!r! coliziuni, metoda bit-map de baz" (basic bit-map method), fiecare

perioad! de conflict va fi format! din exact N cuante. Dac! sta#ia 0 are de transmis un cadru, trans-mite un bit " în timpul cuantei 0. Nici o alt! sta#ie nu are voie s! transmit! în timpul acestei cuante. F!r! a avea vreo leg!tur! cu ceea ce face sta#ia 0, sta#ia " are ocazia s! transmit! un " în timpul cuan-tei ", dar doar dac! are un cadru de transmis. În general, sta#ia j poate anun#a c! are de transmis un


cadru inserând un bit " în cuanta j. Dup! ce au trecut toate cele N cuante, fiecare sta#ie va cunoa te care dintre sta#ii doresc s! transmit!. În acest moment, ele încep s! transmit! în ordinea cresc!toare a adresei de sta#ie (vezi fig. 4-6).

Fig. 4-6. Protocolul bit-map de baz!.

Întrucât to#i sunt de acord cine urmeaz!, nu vor exista niciodat! coliziuni. Dup! ce ultima dintre

sta#iile preg!tite s! emit! i-a transmis cadrul, eveniment pe care toate sta#iile îl pot urm!ri u or, va începe o alt! perioad! de conflict de N bi#i. Dac! o sta#ie devine gata imediat dup! ce a trecut cuanta care îi corespunde, înseamn! c! a ratat ocazia i va trebui s! a tepte urm!toarea perioad! de con-flict. Protocoalele de acest gen, în care inten#ia de a transmite este anun#at! înainte de transmisia propriu-zis!, se numesc protocoale cu rezervare (reservation protocols).

S! analiz!m pe scurt performan#ele acestui protocol. Vom conveni ca timpul s! fie m!surat în unit!#i de m!rimea cuantelor de un bit ale perioadei de conflict, iar cadrele de date s! fie formate din d astfel de unit!#i de timp. Practic, în condi#ii de trafic slab, pachetul de bi#i ai perioadei de con-flict va fi transmis în mod repetat, din lips! de cadre de date.

S! privim situa#ia din punctul de vedere al unei sta#ii cu adres! mic!, de exemplu 0 sau ". În mod obi nuit, când ea devine gata s! emit!, cuanta „curent!” va fi undeva în mijlocul pachetului de bi#i. În medie, o sta#ie va trebui s! a tepte N/2 cuante pentru ca runda curent! s! se termine i alte N cu-ante pân! la runda urm!toare, înainte de a putea începe transmisia.

Perspectivele sta#iilor cu adrese mari sunt ceva mai luminoase. În general, ele nu vor trebui s! a -tepte decât o jum!tate de rund! (N/2 cuante) înainte de a începe s! transmit!. Sta#iile cu adrese mari trebuie rareori s! a tepte urm!toarea rund!. Deoarece sta#iile cu adrese mici au de a teptat în medie ".5N cuante, iar cele cu adrese mari 0.5N cuante, media pentru toate sta#iile este de N cuante. Eficien#a canalului la trafic sc!zut este u or de calculat. Înc!rcarea suplimentar! a unui cadru este de N bi#i, iar cantitatea de date este de d bi#i, rezultând o eficien#! de d/(N + d).

În condi#ii de trafic înc!rcat, când toate sta#iile vor s! emit! simultan, perioada de conflict de N bi#i este împ!r#it! la N cadre, rezultând o înc!rcare suplimentar! de doar un bit pe cadru, adic! o eficien#! de d/(d + "). Întârzierea medie pentru un cadru este egal! cu suma timpului de a teptare în interiorul sta#iei, plus o întârziere suplimentar! de N(d + ")/2, care se adaug! atunci când ajunge la începutul cozii interne a sta#iei.

Num"r"toarea invers" binar" O problem! a protocolului de baz! bit-map este înc!rcarea suplimentar! de " bit pe sta#ie. Pu-

tem ob#ine rezultate i mai bune utilizând adresele binare ale sta#iilor. O sta#ie care vrea s! utilizeze canalul î i difuzeaz! adresa ca un ir de bi#i, începând cu bitul cel mai semnificativ. Se presupune c! toate adresele au aceea i lungime. Bi#ii de pe aceea i pozi#ie din adresele diferitelor sta#ii sunt com-bina#i printr-o opera#ie logic! OR (SAU), iar rezultatul este citit ca o singur! adres!. Vom numi acest protocol num"r"toarea invers" binar" (binary countdown). El este utilizat în Datakit (Fraser, "987). Se presupune implicit c! întârzierile în transmisie sunt neglijabile, astfel încât toate sta#iile v!d bi#ii transmi i practic instantaneu.


Pentru a evita conflictele, trebuie aplicat! o regul! de arbitrare: de îndat! ce o sta#ie observ! c! unul dintre bi#ii superiori ai adresei sale, con#inând un 0, a fost acoperit de un ", renun#! s! mai emi-t!. De exemplu, dac! sta#iile 00"0, 0"00, "00" i "0"0 încearc! s! ob#in! canalul în acela i timp, în timpul primului bit sta#iile transmit 0, 0, " i, respectiv, ". Ace ti bi#i sunt combina#i printr-o opera#ie SAU, rezultând un ". Sta#iile 00"0 i 0"00 v!d acest " i tiu c! o sta#ie cu o adres! superioar! încear-c! s! ob#in! canalul, a a c! renun#! s! mai emit! în runda curent!. Sta#iile "00" i "0"0 continu!.

Urm!torul bit este 0 i ambele sta#ii continu!. Urm!torul bit este ", a a c! sta#ia "00" va renun#a. Câ tig!toare este sta#ia "0"0, pentru c! are adresa cea mai mare. Dup! ce a câ tigat licita#ia, ea poa-te transmite un cadru, dup! care începe o nou! rund! de licita#ii. Protocolul este ilustrat în fig. 4-7. Are proprietatea c! sta#iile cu numere mai mari au o prioritate mai înalt! decât sta#iile cu numere mai mici, ceea ce poate fi i bine i r!u, în func#ie de context.

Fig. 4-7. Protocolul cu num!r!toare invers! binar!. O liniu#! indic! t!cere.

Eficien#a canalului, în cazul acestei metode, este de d/(d + ln N). Dac! formatul cadrului a fost bine ales, astfel încât adresa emi#!torului s! fie primul câmp al cadrului, chiar i ace ti ln N bi#i nu sunt pierdu#i, iar eficien#a este de "00%.

Mok i Ward ("979) au descris o variant! a num!r!torii inverse binare utilizând o interfa#! para-lel! în locul celei seriale. Ei au sugerat, de asemenea, utilizarea de adrese de sta#ie virtuale, cuprinse între 0 i num!rul sta#iei câ tig!toare inclusiv, adrese ce vor fi permutate dup! fiecare transmisie, pentru a da prioritate mai mare sta#iilor care nu au mai transmis de mult. De exemplu, dac! sta#iile C, H, D, A, G, B, E i F au priorit!#ile 7, 6, 5, 4, 3, 2, " i, respectiv, 0, atunci o transmisie cu succes a sta#iei D o va plasa la sfâr itul listei, rezultând ordinea priorit!#ilor: C, H, A, G, B, E, F, D. Astfel, C r!mâne virtual sta#ia 7, A suie de la 4 la 5, iar D coboar! de la 5 la 0. Acum sta#ia D va putea ob#ine canalul numai dac! nici o alt! sta#ie nu îl dore te.

Num!r!toarea invers! binar! este un exemplu de protocol simplu, elegant i eficient care a teap-t! s! fie redescoperit. Sper!m c! î i va g!si o nou! familie cândva în viitor.

4.2.4 Protocoale cu conflict limitat

Am considerat pân! acum dou! strategii de baz! pentru ob#inerea canalului într-o re#ea cablat!: cu conflict, ca în CSMA, i f!r! coliziuni. Fiecare strategie poate fi cotat! dup! performan#e în func-


#ie de doi parametri importan#i: întârzierea în condi#ii de trafic sc!zut i eficien#a canalului la trafic înc!rcat. În condi#iile unui trafic sc!zut, conflictul (adic! ALOHA pur sau cuantificat) este preferat datorit! întârzierilor mici. Cu cât traficul cre te, cu atât aceste metode devin tot mai pu#in atractive, deoarece înc!rcarea suplimentar! asociat! cu arbitrarea canalului devine tot mai mare. Pentru pro-tocoalele f!r! coliziuni apare efectul invers: la trafic sc!zut, ele au întârzieri mari, dar, pe m!sur! ce traficul cre te, eficien#a canalului se îmbun!t!#e te în loc s! se înr!ut!#easc!, cum se întâmpl! la pro-tocoalele cu conflict.

Evident, ar fi frumos s! putem combina cele mai bune propriet!#i ale protocoalelor cu conflict cu cele ale protocoalelor f!r! coliziuni, ob#inând un nou protocol care s! utilizeze varianta cu conflict la trafic sc!zut, pentru a avea întârzieri mici, i varianta f!r! coliziuni la trafic mare, pentru a putea oferi o eficien#! bun! a canalului. Asemenea protocoale, pe care le vom numi protocoale cu conflict

limitat (limited contention protocols), exist! i vor încheia studiul nostru despre re#elele cu detec#ie de purt!toare.

Pân! acum, singurele protocoale cu conflict pe care le-am studiat au fost simetrice, adic! fiecare sta#ie încearc! s! ob#in! canalul cu o probabilitate p, aceea i pentru toate sta#iile. Un fapt destul de interesant este c! performan#a global! a sistemului poate fi uneori îmbun!t!#it! utilizând un proto-col care asociaz! probabilit!#i diferite pentru sta#ii diferite.

Înainte de a trece la protocoalele asimetrice, s! trecem succint în revist! performan#ele cazului simetric. S! presupunem c! exist! k sta#ii care concureaz! pentru ob#inerea accesului la canal. Fieca-re are o probabilitate p de a transmite în timpul fiec!rei cuante. Probabilitatea ca o sta#ie s! ob#in! canalul în timpul unei cuante este kp (" - p)k - ". Pentru a ob#ine valoarea optim! pentru p, deriv!m în raport cu p, egal!m rezultatul cu zero i rezolv!m pentru p. Vom ob#ine c! valoarea cea mai bun! a lui p este "/k. Substituind p = "/k, ob#inem probabilitatea

Pr[succes cu p optim] =

"

+,

-./

0 "k

k

k (4-4)

Aceast! probabilitate este reprezentat! în fig. 4-8. Pentru un num!r mic de sta#ii ansele de suc-ces sunt mari, dar probabilitatea scade c!tre o valoare asimptotic! de "/e înainte chiar ca num!rul sta#iilor s! ating! valoarea cinci.

Din fig. 4-8 reiese clar c! probabilitatea ca o sta#ie s! ob#in! canalul poate fi crescut! doar redu-când concuren#a. Protocoalele cu conflict limitat fac exact acest lucru. Mai întâi, ele împart sta#iile în grupuri (nu neap!rat disjuncte). Doar membrilor grupului 0 li se permite s! concureze pentru cuan-ta 0. Dac! unul din ei reu e te, ocup! canalul i î i transmite cadrul. În cazul în care cuanta r!mâne neîntrebuin#at! sau apare o coliziune, membrii grupului " vor concura pentru cuanta " etc. F!când o împ!r#ire corect! a sta#iilor în grupuri, num!rul de conflicte pentru fiecare cuant! poate fi redus, aducând performan#a corespunz!toare fiec!rei cuante c!tre extrema stânga a fig. 4-8.

Trucul const! în modul în care asociem sta#iile cuantelor. Înainte de a analiza cazul general, s! consider!m câteva cazuri particulare. La o extrem!, fiecare grup are un singur membru. O astfel de împ!r#ire garanteaz! c! niciodat! nu vom avea coliziuni, pentru c! cel mult o sta#ie concureaz! pen-tru o cuant!. Am v!zut astfel de protocoale anterior (de exemplu, num!r!toarea invers! binar!). Urm!torul caz particular este împ!r#irea în grupuri de câte dou! sta#ii. Probabilitatea ca amândou! s! încerce s! transmit! în timpul unei cuante este p2, ceea ce pentru un p mic este o valoare neglijabi-l!. Pe m!sur! ce unei cuante îi sunt asociate mai multe sta#ii, probabilitatea unei coliziuni cre te, în schimb lungimea pachetului de bi#i, necesar pentru a da fiec!ruia o ans!, se mic oreaz!. Cazul limi-t! este un singur grup con#inând toate sta#iile (adic! ALOHA cuantificat). Ceea ce ne trebuie este o


cale de a asocia sta#ii cuantelor în mod dinamic, cu multe sta#ii pe cuant! atunci când traficul este sc!zut i pu#ine sta#ii pe cuant! (sau chiar una singur!) atunci când traficul este mare.

Fig. 4-8. Probabilitatea de ob#inere a unui canal cu conflict simetric.

Protocolul cu parcurgere arborescent" adaptiv"

O cale foarte simpl! de a face o asociere bun! este utilizarea algoritmului conceput de armata Sta-telor Unite în scopul test!rii pentru sifilis a solda#ilor în timpul celui de-al doilea r!zboi mondial (Dorfman, "943). Pe scurt, armata preleva e antioane de sânge de la N solda#i. O por#iune din fiecare e antion era pus! în acela i tub de test. Acest e antion mixat era apoi testat pentru anticorpi. Dac! nu era g!sit nici un anticorp, to#i solda#ii din grup erau declara#i s!n!to i. Dac! îns! erau prezen#i anti-corpi, erau preparate dou! noi e antioane mixte, unul corespunz!tor solda#ilor de la " la N/2, iar altul corespunz!tor celorlal#i. Procesul era repetat recursiv pân! când erau determina#i solda#ii infecta#i.

Fig. 4-9. Arborele pentru opt sta#ii.

Pentru versiunea informatic! a acestui algoritm (Capetanakis, "979), cel mai simplu este s! ne

închipuim sta#iile ca fiind frunzele unui arbore binar, ca în fig. 4-9. În prima cuant! de conflict care urmeaz! dup! un cadru transmis cu succes, i anume cuanta 0, toate sta#iile au permisiunea de a încerca ocuparea canalului. Dac! numai una din ele încearc!, foarte bine. Dac! s-a produs o coliziu-ne, atunci, în timpul cuantei ", doar sta#iile de sub nodul 2 din arbore pot concura. Dac! una din ele ob#ine canalul, cuanta care urmeaz! cadrului ce va fi transmis este rezervat pentru sta#iile de sub nodul 3. Dac!, pe de alt! parte, dou! sau mai multe sta#ii de sub nodul 2 vor s! transmit!, se va pro-duce o coliziune în timpul cuantei ", caz în care va fi rândul nodului 4 în timpul cuantei 2.


În principiu, dac! apare o coliziune în timpul cuantei 0, este cercetat întregul arbore în adâncime, pentru a localiza toate sta#iile gata s! transmit!. Fiecare cuant! de un bit este asociat! unui nod par-ticular din arbore. Dac! se produce o coliziune, c!utarea este continuat! recursiv cu fiii stâng i drept ai nodului. Dac! o cuant! de un bit este liber sau dac! o singur! sta#ie transmite în timpul ei, c!uta-rea nodului pentru aceast! cuant! se poate opri, pentru c! toate sta#iile gata s! transmit! au fost localizate (dac! erau mai multe decât una s-ar fi produs o coliziune).

Atunci când înc!rcarea sistemului este mare, nu prea merit! s! dedic!m cuanta 0 nodului ", pen-tru c! acest lucru ar avea sens doar în eventualitatea - destul de pu#in probabil! - ca o singur! sta#ie s! aib! un cadru de transmis. Similar, se poate argumenta c! nodurile 2 i 3 pot fi l!sate la o parte din acelea i motive. În termeni mai generali, întrebarea este: la ce nivel din arbore ar trebui s! în-ceap! c!utarea? Desigur, cu cât traficul este mai mare, cu atât c!utarea trebuie s! înceap! mai de jos. Vom considera c! fiecare sta#ie de#ine o estimare corect! a num!rului de sta#ii gata s! transmit!, de exemplu q, ob#inut! din monitorizarea traficului recent.

Pentru început, s! num!r!m nivelurile arborelui începând de la vârf, cu nodul " din fig. 4-9 pe ni-velul 0, nodurile 2 i 3 pe nivelul " etc. Observa#i c! fiecare nod de pe nivelul i are dedesubt o frac#i-une de 2-i din totalul sta#iilor. Dac! cele q sta#ii gata s! transmit! sunt uniform distribuite, num!rul celor care se afl! sub un anumit nod de pe nivelul i este 2-iq. Intuitiv, ar trebui ca nivelul optim de începere a c!ut!rii s! fie cel pentru care num!rul mediu de sta#ii care vor s! transmit! în timpul unei cuante este ", adic! nivelul la care 2-iq = ". Rezolvând aceast! ecua#ie vom g!si c! i = log2q.

Au fost descoperite numeroase îmbun!t!#iri ale algoritmului de baz!, care sunt discutate în deta-liu de Bertsekas i Gallager ("992). De exemplu, s! consider!m cazul în care sta#iile G i H vor s! transmit!. La nodul " se va produce o coliziune, a a c! va fi încercat 2, care va fi g!sit liber. Este f!r! sens s! încerc!m nodul 3 pentru c! este sigur c! vom avea o coliziune ( tim c! dou! sau mai multe sta#ii de sub " vor s! transmit! i nici una dintre ele nu se afl! sub 2, deci toate sunt sub 3). Încerca-rea lui 3 poate fi s!rit! i se trece la 6. Dac! nici aceast! încercare nu d! nici un rezultat, 7 poate fi s!rit i este încercat G în continuare.

4.2.5 Protocoale cu acces multiplu cu divizarea frecven#ei

O abordare diferit! a problemei aloc!rii canalului o reprezint! împ!r#irea acestuia în subcanale utilizând FDM, TDM, sau amândou!, i alocarea lor dinamic! dup! necesit!#i. Astfel de metode sunt frecvent utilizate în LAN-urile cu fibr! optic! pentru a permite ca transmisiuni diferite s! utili-zeze lungimi de und! (adic! frecven#e) diferite în acela i timp. În aceast! sec#iune vom examina un astfel de protocol (Humblet .a., "992).

O cale simpl! de construire a unui LAN cu fibr! optic! este utilizarea unui cuplor pasiv de tip stea (vezi fig. 2-"0). Dou! fibre de la fiecare sta#ie intr! într-un cilindru de sticl!. O fibr! este pentru transmisia c!tre cilindru iar cealalt! pentru transmisia de la cilindru. Emisia de lumin! de la oricare din sta#ii ilumineaz! cilindrul i poate fi detectat! de toate celelalte sta#ii. Stelele pasive pot cupla pân! la sute de sta#ii.

Pentru a permite transmisiuni multiple simultane, spectrul este divizat în canale (benzi de frec-ven#!), ca în fig. 2-24. În acest protocol, WDMA (Wavelength Division Multiple Access, rom: acces multiplu cu divizarea frecven#ei), fiec!rei sta#ii îi sunt asociate dou! canale. Un canal îngust este fo-losit drept canal de control pentru semnalizarea c!tre sta#ie, iar unul larg pentru ca sta#ia s! poat! trimite cadre de date prin el.


Fig. 4- 0. Acces multiplu cu divizarea frecven#ei.

Fiecare canal este împ!r#it în cuante de timp, ca în fig. 4-"0. Fie m num!rul de cuante ale canalu-

lui de control i n + " num!rul de cuante ale canalului de date, dintre care n sunt pentru date i ul-tima este utilizat! de sta#ie pentru a- i raporta starea (în principal, care dintre cuantele ambelor ca-nale sunt libere). Pe ambele canale secven#a de cuante se repet! la infinit, cu cuanta 0 marcat! spe-cial pentru ca cei care iau parte mai târziu la transmisie s! o poat! detecta. Toate canalele sunt sin-cronizate de un unic ceas global.

Protocolul suport! trei clase de trafic: (") trafic orientat pe conexiune, cu rat! constant! de date (cum este semnalul video necomprimat), (2) trafic orientat pe conexiune, cu rat! variabil! de date (cum este transferul de fi iere) i (3) trafic de datagrame, cum sunt pachetele UDP. Pentru cele dou! protocoale orientate pe conexiune, ideea este c! dac! A vrea s! comunice cu B, trebuie s! insereze mai întâi un cadru CONNECTION REQUEST (cerere conectare) într-o cuant! liber! de pe canalul de control al lui B. Dac! B accept!, comunica#ia se poate desf! ura pe canalul de date al lui A.

Fiecare sta#ie are doi emi#!tori i doi receptori, dup! cum urmeaz!:

". Un receptor cu lungime de und! fix! pentru ascultarea propriului canal de control. 2. Un emi#!tor reglabil pentru comunicarea pe canalul de control al altei sta#ii. 3. Un emi#!tor cu lungime de und! fix! pentru emisia cadrelor de date. 4. Un receptor reglabil pentru selectarea emi#!torului de ascultat.

Cu alte cuvinte, fiecare sta#ie î i ascult! propriul canal de control pentru cererile care sosesc, dar trebuie s! se regleze pe frecven#a emi#!torului pentru a primi datele. Reglarea frecven#ei este reali-zat! cu un interferometru Fabry-Perot sau Mach-Zehnder, care elimin! prin filtrare toate frecven#e-le, cu excep#ia celei dorite.

S! urm!rim acum modul în care sta#ia A stabile te un canal de comunica#ie de clas! 2 cu sta#ia B pentru, s! zicem, un transfer de fi iere. Mai întâi, A î i regleaz! receptorul de date pe frecven#a cana-lului de date al lui B i a teapt! cuanta de stare. Aceast! cuant! precizeaz! care cuante de control


sunt ocupate i care sunt libere. De exemplu, în fig. 4-"0 se observ! c! din cele opt cuante de control ale lui B, 0, 4 i 5 sunt libere. Restul sunt ocupate (fapt indicat prin cruciuli#e).

A î i alege una din cele trei cuante de control, s! zicem 4, i î i insereaz! mesajul CONNECT REQUEST în ea. Cum B î i ascult! permanent canalul de control, vede cererea i o aprob! acor-dând cuanta 4 lui A. Aceast! decizie este anun#at! în cuanta de stare a canalului de control. Atunci când A vede anun#ul, va ti c! s-a stabilit o conexiune unidirec#ional!. Dac! A cerea o conexiune bidirec#ional!, B ar fi trebuit s! repete acela i algoritm cu A.

Este posibil ca în timp ce A c!uta s! ocupe cuanta 4 de control a lui B, C s! fac! acela i lucru. Nici o sta#ie nu o va ob#ine i amândou! vor observa e ecul urm!rind cuanta de stare din canalul de date al lui B. Ele vor a tepta în continuare un interval de timp aleatoriu, dup! care vor încerca din nou.

În acest moment, fiecare sta#ie are o cale f!r! conflicte pentru trimiterea de scurte mesaje de control c!tre cealalt!. Pentru a realiza transferul de fi iere, A va trimite c!tre B un mesaj de control, spunând, de exemplu, „Te rog uit!-te la urm!toarea cuant! 3 cu date de ie ire de la mine. În ea se afl! un cadru de date pentru tine”. Când B prime te mesajul de control, î i va regla receptorul pe canalul de ie ire al lui A pentru a citi cadrul de date. Bazându-se pe un protocol de nivel mai înalt, B poate utiliza acela i mecanism pentru a trimite înapoi o confirmare, dac! dore te.

De notat c! apare o problem! când A i C au conexiuni c!tre B i fiecare îi spune s! se uite la cu-anta 3. B va alege una dintre ele la întâmplare, iar cealalt! transmisie va fi pierdut!.

La trafic constant este utilizat! o variant! a acestui protocol. Atunci când A cere o conexiune, ea spune în acela i timp ceva de genul: este în regul! dac! î#i voi trimite câte un cadru în fiecare cuant! 3? Dac! B poate accepta (adic! nu i-a luat nici un angajament pentru cuanta 3), este stabilit! o co-nexiune cu l!rgime de band! garantat!. Dac! nu, A poate încerca din nou cu o alt! propunere, în func#ie de cuantele de ie ire libere.

Traficul de clas! 3 (datagrame) utilizeaz! o alt! variant!. În loc s! scrie un mesaj CONNEC-TION REQUEST în cuanta de control pe care tocmai a g!sit-o (4), va scrie un mesaj DATA FOR YOU ÎN SLOT 3 (în cuanta 3 se afl! date pentru tine). Dac! B este liber! în timpul urm!toarei cu-ante 3 de date, transmisiunea va reu i. Altfel, cadrul de date se va pierde. În acest fel nu vom avea niciodat! nevoie de conexiuni.

Sunt posibile mai multe variante ale întregului protocol. De exemplu, în loc s! îi asigur!m fiec!-rei sta#ii propriul canal de control, toate sta#iile pot partaja un singur canal de control. Fiec!rei sta#ii îi este asociat un bloc de cuante în fiecare grup, multiplexând astfel mai multe canale virtuale într-un singur canal fizic.

De asemenea ne putem descurca cu un singur emi#!tor reglabil i un singur receptor reglabil pe sta#ie, divizând canalul fiec!rei sta#ii în m cuante de control, urmate de n + " cuante de date. Dez-avantajul const! în faptul c! emi#!torii trebuie s! a tepte mai mult pentru a ob#ine o cuant! de con-trol, iar cadrele de date consecutive vor fi separate din cauza informa#iilor de control de pe canal.

Au fost propuse numeroase alte protocoale WDMA, care se deosebesc prin detalii. Unele au un singur canal de control, altele au mai multe. Unele iau în considerare întârzierea de propagare, altele nu; unele consider! timpul de reglare a frecven#ei ca f!când parte explicit din model, altele îl ignor!. De asemenea protocoalele se deosebesc prin complexitatea prelucr!rii, productivitate i scalabilitate. Când sunt folosite un num!r ridicat de frecven#e sistemul poate fi numit DWDM (Dense Wavelength

Division Multiplexing - acces multiplu dens cu divizarea frecven#ei). Pentru mai multe informa#ii, vezi (Bogineni .a., "993; Chen, "994; Goralski, 200"; Kartopoulos, "999; Levine i Akyildiz, "995).


4.2.6 Protocoale pentru re#ele LAN f"r" fir

Pe m!sur! ce num!rul de echipamente de calcul i comunica#ie cre te, acela i lucru se întâmpl! i cu nevoia lor de conectare la lumea exterioar!. Chiar i primele telefoane portabile aveau posibili-tatea de a se conecta la alte telefoane. Primele calculatoare portabile nu au avut aceast! posibilitate, dar curând dup! aceea, modemurile au devenit un lucru obi nuit. Pentru a comunica, aceste calcula-toare trebuiau s! fie conectate la o priz! telefonic! de perete. Necesitatea unei conexiuni prin cablu la o re#ea fix! însemna c! de fapt calculatoarele, de i erau portabile, nu erau mobile.

Pentru a ob#ine o adev!rat! mobilitate, calculatoarele portabile trebuie s! utilizeze pentru co-munica#ie semnale radio (sau infraro ii). Astfel, utilizatorii dedica#i pot citi sau trimite po ta electro-nic! în timp ce merg cu ma ina sau cu vaporul. Un sistem de calculatoare portabile care comunic! prin radio poate fi privit ca un LAN f!r! fir. Aceste LAN-uri au propriet!#i oarecum diferite fa#! de LAN-urile conven#ionale i necesit! protocoale speciale pentru subnivelul MAC. În aceast! sec#iune vom examina câteva din aceste protocoale. Mai multe informa#ii despre re#elele locale f!r! fir pot fi g!site în (Geier, 2002; O`Hara i Petrick, "999).

O configura#ie obi nuit! pentru un LAN f!r! fir este o cl!dire cu birouri, cu sta#iile de baz! am-plasate strategic în jurul cl!dirii. Toate sta#iile de baz! sunt interconectate prin cabluri de cupru sau fibr! optic!. Dac! puterea de emisie a sta#iilor de baz! i a calculatoarelor portabile este reglat! la o raz! de ac#iune de 3 sau 4 metri, atunci fiecare camer! devine o singur! celul!, iar întreaga cl!dire devine un mare sistem celular, ca în sistemele de telefonie celular! tradi#ional!, pe care le-am studiat în Cap. 2. Îns!, spre deosebire de sistemele de telefonie celular!, fiecare celul! are un singur canal, acoperind întreaga l!rgime de band! disponibil! i acoperind toate sta#iile din respectiva celul!. În mod normal, l!rgimea de band! a canalului este de ""-54 Mbps.

În discu#ia care urmeaz! vom presupune, pentru simplificare, c! to#i emi#!torii radio au un do-meniu fix. Atunci când un receptor se afl! în raza a doi emi#!tori activi, semnalul rezultat va fi, în general, amestecat i neutilizabil (cu câteva excep#ii care vor fi discutate mai târziu). E important s! ne d!m seama c! în unele LAN-uri f!r! fir nu toate sta#iile se afl! în acela i domeniu, ceea ce duce la o serie de complica#ii. Mai mult, pentru LAN-uri de incint! f!r! fir, prezen#a pere#ilor între sta#ii poate avea un impact major asupra domeniului efectiv al fiec!rei sta#ii.

O abordare naiv! în construirea unui LAN f!r! fir o constituie încercarea de utilizare a CSMA, prin ascultarea celorlalte transmisiuni i transmisia numai în cazul în care nimeni nu transmite. Pro-blema este c! acest protocol nu este chiar potrivit, pentru c! ceea ce conteaz! este interferen#a la receptor, nu la emi#!tor. Pentru a vedea natura problemei, s! privim fig. 4-"", în care apar patru sta-#ii nelegate prin cablu. Pentru ceea ce vrem s! ar!t!m nu conteaz! care sunt sta#ii de baz! i care sunt calculatoare portabile. Domeniul (de recep#ie) radio are proprietatea c! A i B sunt fiecare în domeniul celeilalte i pot interfera una cu cealalt!. %i C poate s! interfereze atât cu B cât i cu D, dar nu cu A.

Fig. 4- . Un LAN f!r! fir. (a) A transmite. (b) B transmite.


S! consider!m mai întâi ce se întâmpl! atunci când A transmite c!tre B, ca în fig. 4-""(a). Dac! C ascult! mediul, ea nu o va auzi pe A pentru c! A este în afara domeniului ei, tr!gând concluzia fals! c! poate transmite. Dac! C începe s! transmit!, ea va interfera la B cu cadrul de la A, distrugându-l. Problema sta#iei care nu poate detecta un poten#ial competitor la mediu pentru c! se afl! prea de-parte este numit! uneori problema sta#iei ascunse (hidden station problem).

S! consider!m acum situa#ia invers!: B transmite c!tre A, ca în fig. 4-""(b). Dac! C ascult! me-diul, va sesiza transmisia i va deduce în mod incorect c! nu poate transmite c!tre D, când de fapt o asemenea transmisie ar cauza o proast! recep#ie doar în zona cuprins! între B i C, unde nu se afl! nici unul dintre receptorii viza#i. Aceast! situa#ie se mai nume te i problema sta#iei expuse (exposed

station problem). Problema este c! înainte de a începe o transmisiune, o sta#ie dore te s! tie dac! în preajma re-

ceptorului se desf! oar! sau nu vreo activitate. CSMA sesizeaz! acest lucru prin simpla detec#ie a purt!toarei. Prin cablu, toate semnalele se propag! la toate sta#iile, a a c!, la un moment dat, poate avea loc o singur! transmisie, indiferent de zona sistemului în care se desf! oar! ea. Într-un sistem bazat pe unde radio cu domeniu mic, se pot desf! ura mai multe transmisiuni simultan, dac! acestea au destina#ii diferite i aceste destina#ii au domenii disjuncte.

Alt! cale de abordare a acestei probleme este s! ne închipuim o cl!dire de birouri în care fiecare angajat are un calculator portabil nelegat prin cablu. S! presupunem c! Linda vrea s! îi transmit! un mesaj lui Milton. Calculatorul Lindei ascult! mediul local i, nedetectând nici o activitate, începe s! transmit!. Totu i, se mai poate produce o coliziune în biroul lui Milton, pentru c! o a treia persoan! îi transmitea deja dintr-un alt loc, atât de departe de Linda, încât calculatorul ei nu a putut detecta acest lucru.

MACA $i MACAW Unul dintre primele protocoale concepute pentru LAN-uri f!r! fir este MACA (Multiple Access

with Collision Avoidance - acces multiplu cu evitarea coliziunii) (Karn, "990). El a fost utilizat ca baz! pentru standardul de LAN f!r! fir IEEE 802."". Ideea de baz! care st! în spatele s!u este ca emi#!torul s! stimuleze receptorul s! emit! un scurt cadru, astfel încât sta#iile apropiate s! poat! detecta aceast! transmisiune i s! nu emit! i ele pe durata cadrului (mare) de date care urmeaz!. MACA este ilustrat în fig. 4-"2.

Fig. 4- 2. Protocolul MACA. (a) A emite un RTS c!tre B.

(b) B îi r!spunde lui A cu un CTS.

SEC. 4.3 ETHERNET 243

S! vedem acum modul în care A îi trimite un cadru lui B. A începe prin a emite un cadru RTS (Request To Send, rom: cerere de emisie) c!tre B, ca în fig. 4-"2(a). Acest scurt cadru (30 de octe#i) con#ine lungimea cadrului de date care va urma. Apoi B r!spunde cu un cadru CTS (Clear To Send, rom: aprobare transmisie), ca în fig. 4-"2(b). Cadrul CTS con#ine lungimea datelor (copiat! din ca-drul RTS). La recep#ia cadrului CTS, A începe transmisia.

S! urm!rim acum modul în care reac#ioneaz! sta#iile care recep#ioneaz! vreunul din aceste ca-dre. Orice sta#ie care aude RTS se afl! în mod cert în apropierea lui A i trebuie s! tac! suficient de mult timp pentru ca s! poat! fi trimis un CTS înapoi la A, f!r! conflicte. Orice sta#ie care recep#io-neaz! CTS se afl! în mod cert în apropiere de B i trebuie s! tac! în timpul transmisiei de date în curs, a c!rei lungime o poate afla examinând cadrul CTS.

În fig. 4-"2, C se afl! în domeniul lui A, îns! nu în domeniul lui B. De aceea va auzi RTS de la A, dar nu i CTS de la B. Cât timp nu interfereaz! cu CTS, ea este liber! s! transmit! în timp ce cadrul de date este emis. În schimb D este în domeniul lui B, dar nu i în cel al lui A. Nu aude RTS, dar aude CTS. Recep#ionând CTS, î i va da seama c! este aproape de o sta#ie care este pe cale s! pri-measc! un cadru, a a c! se va ab#ine de la a emite ceva pân! când, dup! calculele sale, acel cadru se va termina. Sta#ia E aude ambele mesaje de control i, ca i D, trebuie s! tac! pân! la terminarea cadrului de date.

În ciuda acestor precau#ii, înc! mai pot ap!rea coliziuni. De exemplu, B i C ar putea transmite simultan cadre RTS c!tre A. Ele vor intra în coliziune i se vor pierde. În eventualitatea unei colizi-uni, un emi#!tor care nu a avut succes (adic! unul care nu aude un CTS în intervalul de timp prev!-zut) va a tepta o perioad! de timp aleatorie i va încerca din nou. Algoritmul utilizat este cel de re-gresie exponen#ial! binar!, pe care îl vom studia când vom ajunge la LAN-ul IEEE 802.3.

Bazat pe studii de simulare a MACA, Bharghavan .a. ("994) au reu it pân! la urm! s! îmbun!-t!#easc! performan#ele MACA i au redenumit noul lor protocol MACAW. La început, ei au obser-vat c!, f!r! confirm!ri ale nivelului leg!tur! de date, cadrele pierdute nu erau retransmise pân! când, mult mai târziu, nivelul transport le observa absen#a. Au rezolvat aceast! problem! introdu-când un cadru de confirmare ACK dup! fiecare cadru de date transmis cu succes. Tot ei au mai ob-servat c! CSMA are o oarecare utilitate, i anume s! opreasc! o sta#ie de la a transmite un RTS con-comitent cu o alt! sta#ie apropiat! care face acela i lucru c!tre aceea i destina#ie, a a c! a fost ad!u-gat! i detec#ia de purt!toare. În plus, ei au mai decis s! execute algoritmul de regresie separat pen-tru fiecare flux de date (pereche surs!-destina#ie), iar nu pentru fiecare sta#ie. Aceast! schimbare îmbun!t!#e te echitatea protocolului. În final, pentru a îmbun!t!#i performan#ele sistemului, s-au mai ad!ugat: un mecanism ce permite sta#iilor s! schimbe informa#ii despre congestia re#elei i o cale de a face ca algoritmul de regresie s! reac#ioneze mai pu#in violent la problemele temporare.

4.3 ETHERNET

Am terminat acum discu#ia noastr! general! despre protocoalele de alocare a canalelor în teorie, deci este timpul s! vedem cum se aplic! aceste principii sistemelor reale – în particular, LAN-urilor. Dup! cum am discutat în sec#iunea ".5.3, IEEE a standardizat un num!r de re#ele locale i metropo-litane sub numele de IEEE 802. Câteva au supravie#uit, dar nu multe, dup! cum am v!zut în fig. "-38. Unii dintre cei care cred în reîncarnare se gândesc c! Charles Darwin s-a întors ca membru al IEEE Standards Association pentru a elimina re#elele neadaptate. Cei mai importan#i dintre supra-


vie#uitori sunt: 802.3 (Ethernet) i 802."" (LAN f!r! fir). În ceea ce prive te 802."5 (Bluetooth) i 802."6 (MAN f!r! fir), este prea devreme pentru a ne pronun#a. V! sf!tuim s! consulta#i edi#ia a 5-a a acestei c!r#i ca s! afla#i. Atât 802.3 i 802."" au niveluri fizice diferite i subniveluri MAC diferite, dar ele converg asupra aceluia i subnivel logic de control al conexiunii (LLC) (definit în 802.2), astfel încât au aceea i interfa#! cu nivelul de re#ea.

Am introdus Ethernetul în Sec.".5.3 i nu vom mai repeta aici acelea i informa#ii. În continuare ne vom concentra asupra detaliilor tehnice ale Ethernetului, protocoalele i realiz!rile recente în Ethernet-ul de mare vitez! (gigabit). Din moment ce Ethernet i IEEE 802.3 sunt aproape identice, cu excep#ia a dou! detalii minore pe care le vom discuta în curând, mul#i oameni folosesc termenii „Ethernet” i „IEEE 802.3” ca sinonime, astfel încât i noi vom face acela i lucru. Pentru mai multe informa#ii despre Ethernet, vezi (Bradley i Riley, "999; Seifert, "998; Spurgeon, 2000).

4.3. Cablarea Ethernet

Întrucât numele „Ethernet” se refer! la cablu (eterul), s! pornim discu#ia noastr! de aici. În mod obi nuit, sunt utilizate patru tipuri de cabluri, dup! cum se arat! în fig. 4-"3.

Nume Cablu Seg. maxim Noduri / seg. Avantaje 0Base5 coaxial gros 500 m 00 Cablul original, în prezent ie!it

din uz 0Base2 coaxial sub"ire 85 m 30 Nu este nevoie de hub 0Base-T perechi torsadate 00 m 024 Cel mai ieftin sistem 0Base-F Fibr# optic# 2000 m 024 Cel mai bun între cl#diri

Fig. 4- 3. Cele mai obi nuite tipuri de cablare Ethernet. Din punct de vedere istoric, cablul 0Base5, numit popular i Ethernet gros (thick Ethernet), a

fost primul. El se aseam!n! cu un furtun galben de gr!din! cu semne la fiecare 2.5 metri pentru a ar!ta unde vin conectorii (Standardul 802.3 nu impune de fapt cabluri de culoare galben!, dar suge-reaz acest lucru). Conexiunile cu el sunt f!cute în general utilizând conectori-vampir (vampire

taps), la care un pin este introdus cu mare grij! pân! în miezul cablului coaxial. Nota#ia "0Base5 înseamn! c! func#ioneaz! la "0 Mbps, utilizeaz! semnalizare în banda de baz! i poate suporta seg-mente de pân! la 500 metri. Primul num!r reprezint! viteza în Mbps. Apoi urmeaz! cuvântul „Ba-se” (uneori „BASE”) pentru a indica transmisia în banda de baz!. Exista mai demult o variant! în banda larg!, "0Broad36, dar nu s-a impus pe pia#! i a disp!rut. În fine, dac! mediul de transmisie este cablul coaxial, lungimea sa apare rotunjit! în unit!#i de "00m dup! „Base”.

Istoric vorbind, al doilea tip de cablu a fost 0Base2, sau Ethernet sub#ire (thin Ethernet), care, spre deosebire de Ethernet gros „ca un furtun de gr!din!”, se îndoaie u or. Conexiunile cu el sunt f!cute utilizând conectori standard industriali BNC pentru a forma jonc#iuni în T, mai curând decât conectori-vampir. Ace tia sunt mai u or de folosit i mai siguri. Ethernetul sub#ire este mult mai ieftin i mai u or de instalat, dar el poate suporta lungimi ale cablului de maxim "85 de metri pe seg-ment, fiecare segment putând trata numai 30 de calculatoare.

Detectarea întreruperilor de cablu, a conectorilor pro ti sau a conectorilor desprin i poate fi o problem! major! pentru ambele medii de transmisie. Din acest motiv au fost dezvoltate tehnici care s! le detecteze. În esen#!, în cablu este injectat un impuls cu o form! cunoscut!. Dac! impulsul întâlne te un obstacol sau ajunge la cap!tul cablului, va fi generat un ecou care este trimis înapoi. M!surând cu grij! timpul scurs între emiterea impulsului i recep#ionarea ecoului, este posibil!


localizarea originii ecoului. Aceast! tehnic! este numit! reflectometrie în domeniul timp (time do-

main reflectometry). Problemele asociate cu g!sirea întreruperilor de cablu au condus sistemele c!tre un alt tip de

model de cablare, în care toate sta#iile au un cablu care duce la un concentrator (hub). De obicei, aceste fire sunt perechi torsadate ale companiei de telefoane, deoarece majoritatea cl!dirilor cu bi-rouri sunt deja cablate în acest fel i, în mod normal, exist! o mul#ime de perechi disponibile. Aceas-t! strategie se nume te 0Base-T. Concentratorii nu pot #ine într-o memorie tampon traficul pe care îl transfer!. Vom discuta mai târziu în acest capitol o versiune îmbun!t!#it! a acestei idei (comuta-toarele), care au mecanisme de p!strare a traficului primit într-o memorie tampon.

Aceste trei strategii de cablare sunt ilustrate în fig. 4-"4. Pentru "0Base5, în jurul cablului este prins strâns un transiver (transceiver), astfel încât conectorul s!u face contact cu miezul cablului. Transiverul con#ine partea de electronic! care se ocup! cu detec#ia purt!toarei i cu detec#ia coliziunilor. Atunci când este detectat! o coliziune, transiverul trimite pe cablu un semnal nepermis special, pentru a se asigura c! i celelalte transivere î i dau seama c! s-a produs o coliziune.

Fig. 4- 4. Trei tipuri de cablare 802.3. (a) "0Base5. (b) "0Base2. (c)"0Base-T.

La "0Base5, un cablu de transiver (transceiver cable) conecteaz! transiverul cu o plac! de inter-

fa#! din calculator. Cablul transiverului poate avea pân! la 50 de metri lungime i con#ine cinci pe-rechi torsadate izolate individual. Dou! dintre perechi sunt pentru datele de intrare i respectiv date-le de ie ire. Alte dou! sunt pentru semnalele de control de intrare i de ie ire. A cincea pereche, care nu este întotdeauna folosit!, permite calculatorului s! alimenteze electronica transiverului. Pentru a reduce num!rul de transivere necesare, unele transivere permit s! le fie ata ate pân! la opt calcula-toare învecinate.

Cablul transiverului se termin! la placa de interfa#! din interiorul calculatorului. Placa de interfa-#! con#ine un cip controlor care transmite cadre c!tre transiver i recep#ioneaz! cadre de la acesta. Controlorul este responsabil cu asamblarea datelor în formatul de cadru corespunz!tor, precum i cu calculul sumelor de control pentru cadrele trimise i verificarea lor pentru cadrele primite. Unele cipuri controlor gestioneaz! i un set de zone tampon pentru cadrele primite, o coad! de zone tam-pon pentru transmisie, transferurile DMA cu calculatoarele gazd! i alte aspecte legate de adminis-trarea re#elei.


La "0Base2, conexiunea cu cablul se face printr-un conector BNC pasiv cu jonc#iune în T. Elec-tronica transiverului este pe placa controlorului i fiecare sta#ie are întotdeauna propriul transiver.

La "0Base-T, nu exist! nici un cablu, ci doar un concentrator - o cutie plin! de electronic!. Ad!-ugarea sau îndep!rtarea unei sta#ii este mai simpl! în aceast! configura#ie, iar întreruperile cablului pot fi detectate u or. Dezavantajul lui "0base-T este acela c! dimensiunea maxim! a cablului care pleac! de la concentrator este de numai "00 de metri, poate chiar "50 de metri, dac! sunt folosite perechi torsadate de foarte bun! calitate (categoria 5). De asemenea, un concentrator mare cost! mii de dolari. Totu i, "0Base-T devine tot mai popular datorit! u urin#ei de între#inere. O versiune mai rapid! de "0Base-T ("00Base-T) va fi discutat! mai târziu în acest capitol.

A patra op#iune de cablare pentru 802.3 este 0Base-F, care folose te fibre optice. Aceast! alter-nativ! este scump! datorit! costului conectorilor i a terminatorilor, dar are o imunitate excelent! la zgomot i este metoda care este aleas! atunci când transmisia se face între cl!diri sau concentratoare aflate la distan#e mari. Sunt permise distante de kilometri. Ofer! de asemenea o securitate bun!, deoarece interceptarea traficului de pe o fibr! de sticl! este mult mai dificil decât ascultarea traficu-lui pe cablul de cupru.

Fig. 4-"5 arat! diferite moduri de cablare a unei cl!diri. În fig. 4-"5(a), un singur cablu este er-puit din camer! în camer!, fiecare sta#ie fiind conectat! direct la el în punctul cel mai apropiat. În fig. 4-"5(b), o coloan! vertical! suie de la parter pân! la acoperi , cu cabluri orizontale conectate direct la ea la fiecare etaj prin amplificatoare speciale (repetoare). În unele cl!diri, cablurile orizon-tale sunt sub#iri, iar coloana este groas!. Cea mai general! topologie este cea de arbore, ca în fig. 4-"5(c), deoarece o re#ea cu dou! c!i între unele perechi de sta#ii poate suferi din cauza interferen#ei dintre cele dou! semnale.

Fig. 4- 5. Topologii de cablu. (a) Liniar. (b) Coloan!. (c) Arbore. (d) Segmentat.

Fiecare versiune de 802.3 are o lungime maxim admis! de cablu pe segment. Pentru a permite

re#ele mai mari, mai multe cabluri pot fi conectate prin repetoare (repeaters), a a cum se arat! în fig. 4-"5(d). Un repetor este un dispozitiv de nivel fizic. El recep#ioneaz!, amplific! i retransmite sem-nale în ambele direc#ii. În ceea ce prive te programarea, o serie de segmente de cablu conectate prin repetoare nu prezint! nici o diferen#! fa#! de un singur cablu (cu excep#ia unei oarecare întârzieri introduse de repetoare). Un sistem poate con#ine segmente de cablu multiple i repetoare multiple, dar dou! transivere nu pot fi la o distan#! mai mare de 2,5 km i nici o cale între oricare dou! transivere nu poate traversa mai mult de 4 repetoare.


4.3.2 Codificarea Manchester

Nici una din versiunile lui 802.3 nu folose te o codificare binar! direct!, cu 0 vol#i pentru un bit 0 i 5 vol#i pentru un bit ", deoarece aceasta conduce la ambiguit!#i. Dac! o sta#ie trimite irul de bi#i 000"0000, altele l-ar putea interpreta fals ca "0000000 sau 0"000000 întrucât nu pot distinge diferen-#a între un emi#!tor inactiv (0 vol#i) i un bit 0 (0 vol#i). Aceast! problem! poate fi rezolvat! prin utilizarea valorilor +"V pentru " i –"V pentru 0. Totu i, aceast! solu#ie nu rezolv! problema recep-torului care va e antiona semnalul cu o frecven#! u or diferit! de cea pe care emi#!torul o folose te ca s!-l genereze. Ceasurile diferite pot duce la o desincronizare între emi#!tor i receptor în ceea ce prive te grani#ele bi#ilor, în special dup! un ir lung de 0 consecutivi sau de " consecutivi.

Ceea ce le trebuie receptorilor este un mijloc de a determina f!r! dubii începutul, sfâr itul i ju-m!tatea fiec!rui bit f!r! ajutorul unui ceas extern. Dou! astfel de abord!ri se numesc codificarea

Manchester (Manchester encoding) i codificarea Manchester diferen#ial" (differential Manchester

encoding). În cazul codific!rii Manchester, fiecare perioad! a unui bit este împ!r#it! în dou! interva-le egale. Un bit " este trimis stabilind un voltaj ridicat în timpul primului interval i sc!zut în cel de-al doilea. Un 0 binar este trimis exact invers: întâi nivelul sc!zut iar apoi cel ridicat. Aceast! strategie asigur! c! fiecare perioad! a unui bit are o tranzi#ie la mijloc, u urând sincronizarea între emi#!tor i receptor. Un dezavantaj al codific!rii Manchester este acela c! necesit! o l!rgime de band! dubl! fa#! de codificarea binar! direct!, deoarece impulsurile au durata pe jum!tate. Codificarea Manchester este prezentat! în fig. 4-"6(b).

Fig. 4- 6. (a) Codificare binar!. (b) Codificare Manchester.

(c) Codificare Manchester diferen#ial!.

Codificarea Manchester diferen#ial!, prezentat! în fig. 4-"6(c), este o variant! a codific!rii Manchester clasice. În aceasta, un bit " este indicat prin absen#a tranzi#iei la începutul unui interval. Un bit 0 este indicat prin prezen#a unei tranzi#ii la începutul intervalului. În ambele cazuri, exist! i o tranzi#ie la mijloc. Strategia diferen#ial! necesit! un echipament mai complex, dar ofer! o mai bun! imunitate la zgomot. Toate sistemele 802.3 în banda de baz! folosesc codificarea Manchester datori-t! simplit!#ii sale. Semnalul înalt este de +0.85 vol#i iar semnalul sc!zut este de -0.85 vol#i, dând o valoare în curent continuu de 0 vol#i. Ethernet nu folose te codificarea Manchester diferen#ial!, dar alte LAN-uri (de exemplu: 802.5 - LAN-urile de tip jeton pe inel) o folosesc.


4.3.3 Protocolul subnivelului MAC Ethernet

Structura cadrului original DIX (DEC, Intel, Xerox) este prezentat! în fig. 4-"7(a). Fiecare ca-dru începe cu un Preambul (Preamble) de 8 octe#i, fiecare octet con#inând ablonul de bi#i "0"0"0"0. Codificarea Manchester a acestui ablon furnizeaz! o und! dreptunghiular! de "0 MHz timp de 6.4 !s pentru a permite ceasului receptorului s! se sincronizeze cu cel al emi#!torului. Cea-surile trebuie s! r!mân! sincronizate pe durata cadrului, folosind codificarea Manchester pentru a detecta grani#ele bi#ilor.

Cadrul con#ine dou! adrese, una pentru destina#ie i una pentru surs!. Standardul permite adre-se pe 2 i pe 6 octe#i, dar parametrii defini#i pentru standardul în banda de baz! de "0 Mbps folosesc numai adrese pe 6 octe#i. Bitul cel mai semnificativ al adresei destina#ie este 0 pentru adresele obi -nuite i " pentru adresele de grup. Adresele de grup permit mai multor sta#ii s! asculte de la o singu-r! adres!. Când un cadru este trimis la o adres! de grup, toate sta#iile din grup îl recep#ioneaz!. Tri-miterea c!tre un grup de sta#ii este numit! multicast (trimitere multipl"). Adresa având to#i bi#ii " este rezervat! pentru broadcast (difuzare). Un cadru con#inând numai bi#i de " în câmpul destina#ie este distribuit tuturor sta#iilor din re#ea. Diferen#a dintre trimitere multipl! i difuzare este suficient de important! ca s! merite a fi repetat!: un cadru de trimitere multipl! este trimis unui grup de sta#ii selectate pe Ethernet; un cadru de difuzare este trimis tuturor sta#iilor de pe Ethernet. Deci, trimite-rea multipl! este mai selectiv!, dar implic! gestiunea grupurilor. Difuzarea este mai imprecis! dar nu necesit! nici un fel de gestiune de grup.

Fig. 4- 7. Formatul cadrelor. (a) DIX Ethernet. (b) IEEE 802.3. O alt! tr!s!tur! interesant! a adres!rii este utilizarea bitului 46 (vecin cu cel mai semnificativ bit)

pentru a distinge adresele locale de cele globale. Adresele locale sunt stabilite de fiecare administra-tor de re#ea i nu au semnifica#ie în afara re#elei locale. În schimb, adresele globale sunt asignate de IEEE pentru a se asigura c! oricare dou! sta#ii din lume nu au aceea i adres! global!. Cu 48 - 2 = 46 bi#i disponibili, exist! aproximativ 71"0"3 adrese globale. Ideea este c! orice sta#ie poate adresa în mod unic orice alt! sta#ie specificând numai num!rul corect pe 48 de bi#i. Este sarcina nivelului re#ea s!- i dea seama cum s! localizeze destinatarul.

În continuare urmeaz! câmpul „Tip” (Type), care îi spune receptorului ce s! fac! cu cadrul. Numeroase protocoale de nivel re#ea pot fi folosite simultan pe aceea i ma in!, astfel încât, atunci când un cadru Ethernet ajunge, nucleul trebuie s! tie cui s!-i trimit! cadrul. Câmpul „Tip” specific! procesul c!ruia îi este destinat cadrul.


Apoi urmeaz! datele, pân! la "500 de octe#i. Aceast! limit! a fost aleas! oarecum arbitrar la momentul în care standardul DIX a fost solidificat, în special din cauza considera#iei c! un transiver are nevoie de suficient RAM ca s! con#in! un cadru întreg i RAM era scump! în "978. O valoare mai mare pentru aceast! limit! ar fi însemnat mai mult RAM, deci un transiver mai scump.

În afar! de faptul c! exist! o lungime maxim! a cadrelor, exist! i o lungime minim! a cadrelor. De i un câmp de date de 0 octe#i este uneori util, el poate duce la o situa#ie problem!. Când un transiver detecteaz! o coliziune, el trunchiaz! cadrul curent, ceea ce înseamn! c! fragmente r!zle#e de cadre i bi#i r!t!ci#i apar mereu pe cablu. Pentru a facilita distingerea cadrelor valide de reziduuri, Ethernet cere ca toate cadrele valide s! aib! cel pu#in 64 de octe#i, incluzând adresa destina#iei i suma de control. Dac! por#iunea de date dintr-un cadru este mai mic! de 46 de octe#i, se folose te câmpul de completare pentru a se ajunge la lungimea minim! necesar!.

Un alt motiv ( i mai important) de a avea o lungime minim! a cadrului este de a preveni situa#ia în care o sta#ie termin! transmisia unui cadru scurt înainte ca primul bit s! ajung! la cap!tul cel mai îndep!rtat al cablului, unde poate intra în coliziune cu un alt cadru. Aceast! problem! este ilustrat! în fig. 4-"8. La momentul 0, sta#ia A, aflat! la un cap!t al re#elei, expediaz! un cadru. S! not!m cu ) timpul de propagare al cadrului pân! la cel!lalt cap!t. Exact înainte de sosirea cadrului la cel!lalt cap!t (adic! la momentul ) - *), cea mai îndep!rtat! sta#ie fa#! de A, sta#ia B, începe s! transmit!. Când B observ! c! prime te mai mult! putere decât emite, tie c! a ap!rut o coliziune, prin urmare abandoneaz! transmisia i genereaz! o rafal! de 48 de bi#i de zgomot pentru a avertiza toate celelal-te sta#ii. Aproximativ la momentul 2), emi#!torul observ! apari#ia zgomotului i î i abandoneaz! la rândul s!u transmisia. Apoi a teapt! un timp aleatoriu înainte de a încerca din nou.

Fig. 4- 8. Detectarea coliziunii poate dura 2).

Dac! o sta#ie încearc! s! transmit! un cadru foarte scurt, este posibil s! apar! o coliziune, dar

transmisia se termin! înainte ca zgomotul produs s! se întoarc! la momentul 2). Emi#!torul va ajun-ge incorect la concluzia c! transmisia cadrului s-a încheiat cu succes. Pentru a preveni apari#ia aces-tei situa#ii, transmisia fiec!rui cadru trebuie s! ia mai mult de 2). Pentru un LAN la "0 Mbps cu o lungime maxim! de 2500 metri i patru repetoare (conform specifica#iei 802.3), durata unei c!l!torii dus-întors (incluzând i timpul necesar propag!rii prin cele 4 repetoare) a fost calculat! la aproxima-tiv 50 µs în cel mai defavorabil caz – inclusiv timpul trecerii prin repetoare, care în mod sigur nu este zero. Prin urmare, transmisia unui cadru minim trebuie s! dureze cel pu#in 50 µs pentru a se trans-mite. La "0 Mbps, un bit dureaz! "00 ns, astfel încât cel mai mic cadru trebuie s! aib! 500 de bi#i pentru o func#ionare garantat!. Pentru a ad!uga un oarecare spa#iu de siguran#!, acest num!r a fost


m!rit la 5"2 bi#i, adic! 64 de octe#i. Cadrele cu mai pu#in de 64 de octe#i utili sunt completate pân! la 64 de octe#i folosind câmpul de completare.

Pe m!sur! ce viteza re#elelor cre te, lungimea minim! a cadrului trebuie s! creasc! sau lungimea maxim! a cablului trebuie s! scad! propor#ional. Pentru un LAN de 2500 de metri operând la " Gbps, dimensiunea minim! a cadrului ar trebui s! fie de 6400 de octe#i. Alternativ, dimensiunea minim! a cadrului ar putea fi de 640 octe#i, iar distan#a maxim! între dou! sta#ii de 250 de metri. Aceste restric#ii devin din ce în ce mai nepl!cute pe m!sur! ce ne îndrept!m spre re#ele cu viteze de ordinul gigabi#ilor.

Ultimul câmp la 802.3 este Suma de control (Checksum). Aceasta este de fapt un cod de dispersie pe 32 de bi i (32-bit hash-code) a datelor. Dac! anumi i bi i de date sunt recep iona i eronat (datori-t! zgomotului de pe cablu), suma de control va fi aproape sigur gre"it! "i va fi detectat! o eroare. Algoritmul sumei de control este un control cu redundan ! ciclic! de tipul celui discutat în cap. 3. El realizeaz! doar detectarea erorilor "i nu are leg!tur! cu corectarea lor.

Când IEEE a standardizat Ethernetul, comitetul a decis dou! schimb!ri la formatul DIX, dup! cum se vede în fig. 4-#7(b). Prima a fost reducerea preambulului la 7 octe i, folosind ultimul octet ca un delimitator de cadru ini ial („Start of Frame”) pentru compatibilizarea cu 802.4 "i 802.5. A doua schimbare a constat în transformarea câmpului „tip” într-un câmp „lungime”. Desigur, acum recep-torul nu mai "tia ce s! fac! cu un cadru care sosea, dar aceast! problem! a fost rezolvat! prin ad!u-garea unui mic antet por iunii de date, pentru a oferi aceast! informa ie. Vom discuta formatul por- iunii de date când ajungem la controlul leg!turilor logice, mai târziu în acest capitol.

Din p!cate, la momentul public!rii lui 802.3, se utilizau deja dispozitive hardware "i aplica ii sof-tware pentru DIX Ethernet, astfel încât produc!torii "i utilizatorii nu prea erau entuzia"ti s! conver-teasc! câmpul „tip” în câmpul „lungime”. În #997 IEEE a capitulat "i a declarat c! ambele standarde erau acceptabile. Din fericire, toate câmpurile „tip” folosite înainte de #997 erau mai mari de #500. Prin urmare, orice num!r s-ar afla în acea pozi ie care este mai mic sau egal cu #500 poate fi inter-pretat ca „lungime”, iar orice num!r mai mare decât #500 poate fi interpretat ca „tip”. Acum IEEE poate sus ine c! fiecare îi folose"te standardul "i toat! lumea poate s! î"i vad! de treab! f!când ce f!ceau "i înainte, f!r! s! aib! remu"c!ri.

4.3.4 Algoritmul de regresie exponen ial! binar!

S! vedem acum algoritmul prin care se genereaz! timpii aleatorii atunci când apare o coliziune. Modelul este cel din fig. 4-5. Dup! o coliziune, timpul este împ!r it în intervale discrete, a c!ror lun-gime este egal! cu timpul de propagare dus-întors prin mediu în cazul cel mai defavorabil (2 ). Pen-tru a se potrivi cu cea mai lung! cale permis! de 802.3 (2.5 km "i patru repetoare), m!rimea cuantei a fost fixat! la 5#2 intervale de bit, adic! 5#.2 !s – dup! cum a fost men ionat anterior.

Dup! prima coliziune, fiecare sta ie a"teapt! fie 0, fie # cuante înainte s! încerce din nou. Dac! dou! sta ii intr! în coliziune "i fiecare alege acela"i num!r aleatoriu, vor intra din nou în coliziune. Dup! a doua coliziune, fiecare a"teapt! la întâmplare 0, #, 2 sau 3 cuante. Dac! se produce o a treia coliziune (probabilitatea este de 0.25), atunci, data viitoare, num!rul de cuante a"teptate va fi ales aleatoriu din intervalul de la 0 la 23 - #.

În general, dup! i coliziuni, se a"teapt! un num!r aleatoriu de cuante între 0 "i 2i - #. Oricum, du-p! un num!r de #0 coliziuni, intervalul de a"teptare este înghe at la un maxim de #023 de cuante.

SEC. 4.3 ETHERNET 25"

Dup! #6 coliziuni, controlorul arunc! prosopul" "i raporteaz! e"ec calculatorului. Recuperarea ulte-rioar! din situa ia de eroare cade în sarcina nivelurilor superioare.

Acest algoritm, numit algoritmul de regresie exponen ial! binar! (binary exponential backoff

algorithm), a fost conceput s! se poat! adapta dinamic la num!rul sta iilor care încearc! s! transmi-t!. Dac! intervalul de generare aleatorie a fost pentru toate coliziunile #023, "ansa ca 2 sta ii s! intre în coliziune pentru a doua oar! este neglijabil!, dar timpul mediu de a"teptare dup! o coliziune ar fi de sute de cuante, introducând o întârziere semnificativ!. Pe de alt! parte, dac! fiecare sta ie a"teap-t! mereu sau zero sau o cuant!, atunci dac! #00 de sta ii ar încerca s! transmit! deodat!, ele ar intra în coliziune iar "i iar, pân! când 99 dintre ele aleg 0 "i una # sau invers. Aceasta ar putea dura ani de zile. L!sând intervalul de generare aleatorie s! creasc! exponen ial pe m!sur! ce apar tot mai multe coliziuni, algoritmul asigur! o întârziere minim! când se ciocnesc numai câteva sta ii, dar garanteaz! de asemenea c! ciocnirea este rezolvat! într-un interval rezonabil atunci când este vorba de mai multe sta ii. Limitarea intervalului la #023 de cuante previne cre"terea peste m!sura a întârzierilor.

A"a cum am ar!tat pân! acum, CSMA/CD nu ofer! confirm!ri. Cum simpla absen ! a coliziu-nilor nu garanteaz! c! bi ii nu au fost modifica i de zgomotul de pe cablu, pentru o comunica ie sigur!, destina ia trebuie s! verifice suma de control "i, dac! este corect!, s! trimit! înapoi c!tre surs! un cadru de confirmare. În mod normal, din punct de vedere al protocolului, aceast! confir-mare ar fi doar un alt cadru de date "i ar trebui s! lupte pentru timp de canal, ca orice cadru de date. Totu"i, cu o simpl! modificare a algoritmului de tratare a conflictelor s-ar permite o confir-mare rapid! a recep ion!rii cadrului (Tokoro "i Tamaru, #977): prima cuant! de conflict care ur-meaz! unei transmisii cu succes ar trebui rezervat! pentru sta ia destina ie. Din nefericire, standar-dul nu ofer! aceast! posibilitate.

4.3.5 Performan ele Ethernet-ului

S! examin!m pe scurt performan ele standardului 802.3 în condi ii de înc!rcare mare "i constan-t!, dat! de k sta ii gata mereu s! transmit!. O analiz! riguroas! a algoritmului de regresie exponen i-al! binar! ar fi complicat!. În schimb vom proceda ca Metcalfe "i Boggs (#976) "i vom presupune o probabilitate de retransmisie constant! pentru fiecare cuant!. Dac! fiecare sta ie transmite în timpul unei cuante de conflict cu probabilitatea p, probabilitatea A ca o sta ie s! primeasc! canalul în aceas-t! cuant! este:

) ( ##$ kpkpA

A este maxim când p = #/k, "i A % #/e atunci când k % &. Probabilitatea ca intervalul de conflict s! aib! exact j cuante este A (# - A) j-#, astfel c! num!rul mediu de cuante pe conflict este dat de:

'&

$

# $#0

) (j

j

AAjA

Întrucât fiecare cuant! dureaz! 2 , intervalul de conflict mediu, w, este 2 /A. Presupunând p op-tim, num!rul mediu de cuante de conflict nu este niciodat! mai mare decât e, deci w este cel mult 2 e ( 5.4 .

" A"a procedeaz! antrenorul unui boxer când hot!r!"te ca acesta s! abandoneze lupta.


Dac! pentru a transmite un cadru de lungime medie sunt necesare P secunde, atunci când multe sta ii au cadre de transmis se ob ine:

Eficien a canalului = AP

P

/2 ) (4-6)

Aici vedem cum lungimea maxim! a cablului dintre oricare dou! sta ii influen eaz! calculul per-forman elor, sugerând "i alte topologii decât cea din fig. 4-#5(a). Cu cât cablul este mai lung, cu atât intervalul de conflict este mai lung. Acesta este motivul pentru care standardul Ethernet specific! o lungime maxim! a cablului.

Este instructiv s! formul!m ecua ia (4-6) "i în termeni de lungime de cadru F, l!rgime de band! a re elei B, lungime a cablului L "i vitez! de propagare a semnalului c, pentru cazul optim cu e cuante de conflict pe cadru. Cu P = F/B, ecua ia (4-6) devine:

Eficien a canalului = cFBLe /2

) (4-7)

Atunci când al doilea termen al numitorului este mare, eficien a re elei va fi mic!. Mai precis, cre"terea l!rgimii de band! sau a distan ei (produsul BL) reduce eficien a pentru o lungime dat! a cadrului. Din nefericire, o mare parte din cercetarea în domeniul hardware-ului de re ea a intit exact cre"terea acestui produs. Oamenii doresc l!rgime de band! mare pe distan e lungi (de exem-plu, MAN-urile cu fibr! optic!), ceea ce sugereaz! c! Ethernetul implementat în acest fel poate s! nu fie cel mai bun sistem pentru aceste aplica ii. Vom vedea alte modalit! i de a implementa Ethernet când ajungem la Ethernetul comutat mai târziu în acest capitol.

În fig. 4-#9 este trasat! eficien a canalului în func ie de num!rul sta iilor gata de transmisie, pen-tru 2 =5#.2 !s "i o rat! de transmisie a datelor de #0 Mbps, folosind ecua ia (4-7). Cu o m!rime a cuantei de 64 de octe i, nu este surprinz!tor faptul c! nu sunt eficiente cadrele de 64 de octe i. Pe de alt! parte, cu cadre de #024 de octe i "i o valoare asimptotic! de e cuante de 64 de octe i pe interval de conflict, perioada de conflict este de #74 de octe i, iar eficien a este 0.85.

Fig. 4-"9. Eficien a 802.3 la #0 Mbps cu dimensiunea cuantelor de 5#2 bi i.


Pentru a determina num!rul mediu de sta ii gata de transmisie în condi iile unei înc!rc!ri mari, putem s! ne folosim de urm!toarea observa ie (brut!). Fiecare cadru acapareaz! canalul pentru o perioad! de conflict "i un interval de transmisie a unui cadru, totalizând un timp de P + w secunde. Prin urmare, num!rul de cadre pe secund! este #/(P + w). Dac! fiecare sta ie genereaz! cadre cu o rat! medie de * cadre/sec, atunci când sistemul este în starea k*, rata total! de intrare combinat! a tuturor sta iilor neblocate este de k* cadre/sec. Deoarece la echilibru ratele de intrare "i de ie"ire trebuie s! fie identice, putem egala aceste dou! expresii "i putem rezolva pentru k (nu uita i c! w este func ie de k). O analiz! mai sofisticat! este dat! în (Bertsekas "i Gallager,#992).

Probabil c! merit! s! men ion!m c! s-au realizat numeroase analize teoretice ale performan elor pentru Ethernet ("i pentru alte re ele). De fapt, toat! aceast! munc! a presupus c! traficul este de tip Poisson. Pe m!sur! ce cercet!torii au început s! se uite la datele reale, s-a descoperit c! traficul în re ea este rareori Poisson, în schimb este autosimilar (Paxson "i Floyd,#994; "i Willinger ".a., #995). Aceasta înseamn! c! nici prin calcularea valorilor medii pe perioade lungi de timp nu se ob ine o netezire a traficului. Altfel spus, num!rul mediu de pachete în fiecare minut al unei ore variaz! la fel de mult ca "i num!rul mediu de pachete în fiecare secund! a unui minut. Consecin a acestei desco-periri este c! majoritatea modelelor de trafic în re ea nu se aplic! lumii reale "i ar trebui luate cu un pic (sau, mai bine, cu o ton!) de sare!

4.3.6 Ethernetul comutat

Pe m!sur! ce la Ethernet sunt ad!ugate tot mai multe sta ii, traficul va cre"te. În cele din urm!, LAN-ul se va satura. O cale de ie"ire din aceast! situa ie este m!rirea vitezei, s! zicem, de la #0 Mbps la #00 Mbps. Dar, odat! cu cre"terea în importan ! a aplica iilor multimedia, chiar un Ethernet de #00 Mbps sau #-Gbps poate deveni saturat.

Fig. 4-20. Un LAN 802.3 comutat.

Din fericire, este posibil! o solu ie diferit!, mai pu in drastic!: un Ethernet comutat ca cel din fig.

4-20. Inima acestui sistem este un comutator care con ine o plac! de baz! (similar! unui fund de sertar – backplane) de mare vitez! "i, în general, loc pentru 4 pân! la 32 de pl!ci de re ea plug-in,

* k sta ii gata de transmisie


fiecare având între # "i 8 conectori. Cel mai des, fiecare conector are o conexiune prin perechi torsa-date de tip #0Base-T cu un singur calculator gazd!.

Atunci când o sta ie dore"te s! transmit! un cadru 802.3, trimite un cadru standard c!tre comuta-tor. Placa plug-in care prime"te cadrul verific! dac! el este destinat pentru una din celelalte sta ii conectate la aceea"i plac!. Dac! da, cadrul este copiat acolo. Dac! nu, cadrul este trimis prin placa de baz! a comutatorului (backplane) c!tre placa sta iei destina ie. Placa de baz! a comutatorului ruleaz! în mod obi"nuit la peste # Gbps folosind protocolul proprietar.

Ce se întâmpl! dac! dou! calculatoare legate la aceea"i plac! plug-in transmit cadre în acela"i timp? Depinde de cum a fost construit! placa. O posibilitate este ca toate porturile de pe plac! s! fie legate împreun! pentru a forma un LAN local pe plac!. Coliziunile din acest LAN pe plac! vor fi detectate "i tratate la fel ca orice alt! coliziune dintr-o re ea CSMA/CD - cu retransmisii utilizând algoritmul de regresie binar!. Cu acest tip de plac! plug-in este posibil! o singur! transmisie pe plac! la un moment dat, dar toate pl!cile pot transmite în paralel. Astfel concepute, fiecare dintre pl!ci î"i formeaz! propriul domeniu de coliziune (collision domain), independent de celelalte.

La cel!lalt tip de plac! plug-in, fiecare port de intrare utilizeaz! un registru tampon, astfel încât cadrele care vin sunt stocate în memoria RAM inclus! în plac!, pe m!sur! ce sosesc. Aceast! con-cep ie permite tuturor porturilor de intrare s! recep ioneze ("i s! transmit!) cadre în acela"i timp, pentru operare duplex integral (full duplex), în paralel. Odat! ce un cadru a fost recep ionat în în-tregime, placa poate verifica dac! el este destinat pentru un alt port de pe aceea"i plac!, sau pentru un port aflat la distan !. În primul caz, el poate fi transmis direct la destina ie. În cel de-al doilea, el trebuie transmis prin placa de baz! a comutatorului c!tre placa corespunz!toare. În acest mod, fie-care port este un domeniu de coliziune separat, deci nu se mai produc coliziuni. Adesea, productivi-tatea întregului sistem poate fi îmbun!t! it! astfel cu un ordin de m!rime fa ! de #0Base-5, care are un singur domeniu de coliziune pentru întreg sistemul.

Întrucât comutatorul st! "i a"teapt! cadre standard Ethernet pe fiecare port de intrare, putem fo-losi unele porturi drept concentratori. În fig. 4-20, portul din col ul din dreapta sus este conectat nu la o singur! sta ie, ci la un concentrator cu #2 porturi. Pe m!sur! ce cadrele sosesc la concentrator, ele concureaz! pentru canale în mod obi"nuit, cu apari ie de coliziuni "i algoritm de regresie binar!. Cadrele transmise cu succes ajung la comutator, unde sunt tratate ca orice cadru de intrare: sunt îndreptate c!tre linia de ie"ire corect! prin placa de baz! de vitez! mare. Concentratoarele sunt mai ieftine decât comutatoarele, dar, datorit! pre urilor în sc!dere ale comutatoarelor, ele ies treptat din uz. Totu"i, mai exist! concentratoare r!mase mo"tenire.

4.3.7 Ethernet-ul rapid

La început, #0 Mbps p!reau raiul pe p!mânt, la fel cum modemurile #200-bps p!reau divine utili-zatorilor modemurilor acustice de 300 bps. Totu"i, noutatea s-a uzat rapid. Ca un fel de corolar al Legii lui Parkinson („Munca se dilat! astfel încât s! ocupe tot timpul aflat la dispozi ie”), se p!rea c! datele se dilat! pentru a umple l!rgimea de band! disponibil!. Pentru a cre"te viteza, diverse grupuri industriale au propus dou! noi LAN-uri optice bazate pe dou! inele. Una era numit! FDDI (Fiber Distributed Data Interface, rom: Interfa ! de Date Distribuit! pe Fibr!), cealalt! se numea canal de fibr! (Fibre Channel+). Pentru a scurta o poveste lung!, amândou! au fost folosite ca "i re ele de co-loan! vertebral! "i nici una nu a reu"it s! ajung! în birourile utilizatorilor finali. În ambele cazuri ma-

+ Este denumit „fibre channel” "i nu „fiber channel”; autorul documentului era englez


nagementul sta iilor era prea complicat, ceea ce ducea la cip-uri complexe "i pre uri ridicate. Lec ia care trebuia înv! at! de aici era KISS (Keep it simple, Stupid, rom: Las! lucrurile simple, prostule).

În orice caz, e"ecul LAN-urilor optice în a se impune pe pia ! a l!sat un gol în care au înflorit o varietate de Ethernet-uri la viteze de peste #0 Mbps. Multe instala ii aveau nevoie de mai mult! l!r-gime de band! "i prin urmare aveau numeroase LAN-uri de #0 Mbps conectate printr-un labirint de repetoare, pun i, rutere "i por i, de"i administratorilor de re ea li se p!rea mai degrab! c! erau co-nectate cu gum! de mestecat "i resturi de sârm!.

În acest mediu IEEE a reconvocat comitetul 802.3 în #992 cu instruc iuni de a produce un LAN mai rapid. O propunere a fost aceea de a p!stra 802.3 exact cum era, dar s!-l fac! s! mearg! mai repede. O alt! propunere era s!-l refac! total astfel încât s! îi ofere o mul ime de noi propriet! i, cum ar fi trafic în timp real "i voce digitizat!, dar s! p!streze vechiul nume (din ra iuni de marke-ting). Dup! ceva confrunt!ri, comitetul a decis s! p!streze 802.3 a"a cum era, dar s!-l fac! mai rapid. Cei care sus inuser! propunerea înfrânt! au f!cut ceea ce orice indivizi din industria de calculatoare ar fi f!cut în aceste circumstan e – s-au deta"at "i au format propriul lor comitet care a standardizat LAN-ul (în ceea ce va fi versiunea 802.#2). Încercarea lor a e"uat lamentabil.

Comitetul 802.3 a decis s! continue cu un Ethernet ameliorat din trei motive principale:

#. Nevoia de a fi compatibil retroactiv cu LAN-urile Ethernet existente; 2. Teama c! un nou protocol ar putea avea consecin e negative neprev!zute; 3. Dorin a de a termina treaba înainte ca tehnologia s! se schimbe.

Munca a fost f!cut! rapid (dup! standardele comitetului), iar rezultatul, 802.3u, a fost aprobat oficial de IEEE în iunie #995. Din punct de vedere tehnic, 802.3u nu este un standard nou, ci o ad!-ugire la standardul 802.3 existent (pentru a accentua compatibilitatea cu versiunile anterioare). Din moment ce toat! lumea îl denume"te Ethernet rapid (Fast Ethernet), în loc de 802.3u, îl vom de-numi "i noi la fel.

Ideea de baz! din spatele Ethernetului rapid era simpl!: p!streaz! vechile formate de cadre, in-terfe ele "i regulile procedurale, dar reduce durata bitului de la #00 ns la #0 ns. Din punct de vedere tehnic, ar fi fost posibil s! copieze fie #0Base-5 sau #0Base-2 "i s! detecteze în continuare coliziunile la timp pur "i simplu reducând lungimea maxim! a cablului cu un factor de #0. Totu"i, avantajele cabl!rii #0Base-T erau atât de cople"itoare, încât Ethernetul rapid este bazat în întregime pe acest design. Prin urmare, toate sistemele de Ethernet rapid folosesc concentratoare "i comutatoare; ca-bluri multipunct cu conectori vampir sau BNC nu sunt permise.

Totu"i, r!mân câteva alegeri de f!cut, dintre care cea mai important! este ce tip de cabluri s! fie suportate. Un concurent era cablul torsadat categoria 3. Argumentul pro era c! practic fiecare birou în lumea occidental! are cel pu in patru cabluri r!sucite categoria 3 (sau mai mult) care îl conecteaz! cu un centru de conexiuni telefonice la cel mult #00 m distan !. Uneori exist! dou! astfel de cabluri. Prin urmare, folosind cablurile torsadate categoria 3 ar fi f!cut posibil! conectarea calculatoarelor de birou la Ethernet f!r! s! fie necesar! recablarea cl!dirii, un avantaj enorm pentru multe organiza ii.

Principalul dezavantaj al cablurilor torsadate categoria 3 este incapacitatea lor de a transmite semnale de 200 megabaud (#00Mbps cu codificare Manchester) pe o lungime de #00 de metri, care este distan a maxim! de la calculator la concentrator specificat! pentru #0Base-T (vezi fig. 4-#3). Dimpotriv!, cablurile torsadate categoria 5 fac fa ! u"or distan elor de #00 m, iar fibra face fa ! unor distan e mult mai mari. Compromisul la care s-a ajuns a fost s! permit! toate trei posibilit! ile, dup! cum reiese din fig. 4-2#, ca s! se îmbun!t! easc! solu ia de categorie 3 pentru a-i oferi capacitatea adi ional! de transportare de care avea nevoie.


Nume Cablu Segment maxim Avantaje 00Base-T4 Cablu torsadat 00 m Folose!te UTP categoria 3 00Base-TX Cablu torsadat 00 m Full duplex la 00 Mbps (UTP Cat 5) 00Base-FX Fibr" de sticl" 2000 m Full duplex la 00 Mbps; distan#e lungi

Fig. 4-2". Cablarea original! a Ethernet-ului rapid. Schema de categorie 3 UTP, numit! #00Base-T4, folose"te o vitez! de semnalizare de 25MHz,

cu numai 25% mai rapid decât Ethernetul standard de 20MHz (aminti i-v! de codificarea Manchester care, dup! cum reiese din fig. 4-#6, necesit! dou! rota ii de ceas pentru fiecare dintre cei #0 milioane de bi i pe secund!). Totu"i, pentru a ob ine l!rgimea de band! necesar!, #00Base-T4 necesit! patru perechi r!sucite. Deoarece cablarea telefonic! standard include de decenii patru pe-rechi torsadate per cablu, majoritatea birourilor sunt capabile s! fac! fa !. Desigur, înseamn! s! re-nun i la telefonul din birou, dar acesta este un pre mic pentru un e-mail mai rapid.

Din cele patru perechi torsadate una merge întotdeauna c!tre concentrator, una vine de la con-centrator, iar celelalte dou! sunt comutabile în direc ia transmisiunii curente. Codificarea Manchester nu poate fi folosit! din cauza cerin elor de l!rgime de band!, dar date fiind ceasurile moderne "i dis-tan ele scurte, nici nu mai este necesar!. În plus, sunt trimise semnale ternare, astfel încât în timpul unei singure rota ii de ceas cablul poate con ine un 0, un # sau un 2. Având trei perechi torsadate în direc ia „înainte” "i cu semnalizare ternar!, exist! 27 de simboluri posibile, "i deci se pot trimite 4 bi i cu o oarecare redundan !. Transmiterea a 4 bi i în fiecare dintre cele 25 de milioane de rota ii de ceas pe secund! ofer! cei #00Mbps necesari. În plus, exist! întotdeauna un canal invers de 33.3Mbps care folose"te perechea torsadat! r!mas!. Aceast! schem!, cunoscut! ca "i 8B/6T (8 bi i mapa i pe 6 tri i), nu este cea mai elegant! din lume, dar func ioneaz! cu cablarea existent!.

Pentru cablarea de categorie 5, designul #00Base-TX este mai simplu deoarece cablurile fac fa ! frecven elor de ceas de #25MHz. Numai 2 perechi torsadate sunt folosite – una c!tre concentrator, "i alta dinspre el. Codificarea binar! direct! nu este folosit!, ci în locul ei se afl! o schem! numit! 4B/5B. Este preluat! din FDDI "i este compatibil! cu el. Fiecare grup de cinci rota ii de ceas, având fiecare una dintre cele dou! valori ale semnalului, genereaz! 32 de combina ii. #6 dintre acestea sunt folosite pentru a transmite grupurile de bi i 0000, 000#, 00#0, ...., ####. Din restul de #6, unele sunt folosite în scopuri de control, cum ar fi marcarea grani elor cadrelor. Combina iile folosite au fost alese cu grij!, astfel încât s! ofere suficiente tranzi ii pentru a men ine sincronizarea ceasului. Sistemul #00Base-TX este integral duplex: simultan, sta iile pot transmite date la #00Mbps "i pot primi date la #00Mbps. Deseori oamenii se refer! la #00Base-TX "i la #00Base-T4 cu denumirea comun! #00Base-T.

Ultima op iune, #00Base-Fx, folose"te dou! linii de fibr! multimod, una pentru fiecare direc ie, astfel încât sistemul este, de asemenea, integral duplex, cu #00Mbps în fiecare direc ie. În plus, dis-tan a dintre o sta ie "i concentrator poate ajung! pân! la 2 km.

În #997, comitetul a ad!ugat, la cerere, un nou tip de cablu, #00Base-T2, permi ând Ethernetului rapid s! func ioneze peste dou! perechi de cablu de categoria 3 deja existente. Totu"i, este nevoie de un procesor complicat de semnale digitale pentru a face fa ! schemelor de codificare, a"a c! aceast! op iune este destul de scump!. Pân! acum nu prea a fost utilizat!, datorit! complexit! ii, costului, "i faptului c! multe cl!diri de birouri au fost deja recablate cu categoria 5 UTP.

#00Base-T face posibile dou! tipuri de sisteme de interconectare: concentratoare "i comutatoare, dup! cum reiese din fig. 4-20. Într-un concentrator, toate liniile care sosesc (sau cel pu in toate liniile care ajung la o plac! de extensie logic!, formeaz! un singur domeniu de coliziune. Toate regulile standard pot fi aplicate, incluzând algoritmul de regresie exponen ial! binar!, astfel încât sistemul


func ioneaz! exact ca Ethernetul de mod! veche. În particular, o singur! sta ie poate s! transmit! la un moment dat. Cu alte cuvinte, concentratoarele au nevoie de comunica ii semi-duplex.

Într-un comutator, fiecare cadru care sose"te este inut într-o memorie tampon într-o plac! de extensie "i transmis printr-o plac! de baz! de mare vitez! de la placa surs! la placa destina ie, dac! este nevoie. Aceast! plac! de baz! a comutatorului nu a fost standardizat!, "i nici nu trebuie s! fie, din moment ce este cu des!vâr"ire ascuns! în interiorul comutatorului. Conform experien elor pre-cedente este foarte probabil c! vânz!torii de comutatoare vor intra într-o concuren ! acerb! pentru a produce pl!ci de baz! tot mai rapide "i pentru a îmbun!t! i performan a sistemului. Deoarece cablurile #00Base-FX sunt prea lungi pentru algoritmul normal de coliziune, ele trebuie s! fie conec-tate la comutatoare, astfel încât fiecare este un domeniu de coliziune distinct. Concentratoarele nu sunt permise în #00Base-FX.

Ca observa ie final!, practic toate comutatoarele pot face fa ! unui mix de sta ii #0 Mbps "i #00 Mbps, pentru a facilita modernizarea. Pe m!sur! ce un site ob ine tot mai multe sta ii de #00 Mbps, tot ceea ce trebuie s! fac! este s! cumpere num!rul necesar de pl!ci de extensie noi "i s! le insereze în comutator. De fapt, standardul însu"i ofer! o cale astfel încât dou! sta ii s! negocieze automat viteza optim! (#0 sau #00Mbps) "i modul de comunica ie (semi-duplex sau duplex integral). Majori-tatea produselor de Ethernet rapid folosesc aceast! caracteristic! pentru a se autoconfigura.

4.3.8 Ethernetul Gigabit

De-abia se uscase cerneala pe standardul Ethernetului rapid când comitetul 802 a început s! lu-creze la un Ethernet "i mai rapid (#995). A fost numit imediat Ethernet gigabit (Gigabit Ethernet) "i a fost ratificat de IEEE în #998 sub numele 802.3z. Aceast! nota ie sugereaz! c! Ethernetul gigabit va fi sfâr"itul liniei, în afar! de cazul în care cineva inventeaz! rapid o nou! liter! dup! z. Vom discu-ta mai jos câteva dintre caracteristicile de baz! ale Ethernetului gigabit. Mai multe informa ii pot fi g!site în (Seifert, #998). Scopurile comitetului 802.3z erau practic acelea"i cu ale comitetului 802.3u: s! fac! Ethernetul de #0 ori mai rapid, astfel încât s! r!mân! totu"i compatibil cu toate versiunile anterioare. În particular, Ethernetul gigabit trebuia s! ofere suport pentru transferul f!r! confirmare a datagramelor atât pentru difuzare cât "i pentru trimitere multipl!, s! foloseasc! aceea"i schem! de adresare de 48 de bi i care era deja în uz, "i s! men in! acela"i format al cadrelor, inclusiv dimensiu-nile minime "i maxime ale acestora. Standardul final a reu"it s! îndeplineasc! toate aceste scopuri.

Fig. 4-22. (a) Un Ethernet cu dou! sta ii. (b) Un Ethernet cu mai multe sta ii.


Toate configura iile Ethernetului gigabit sunt punct-la-punct mai degrab! decât multipunct, ca "i în standardul original #0 Mbps, acum onorat cu denumirea de Ethernet clasic. În cea mai simpla configura ie Ethernet, ilustrat! în fig. 4-22(a), dou! calculatoare sunt conectate direct unul cu altul. Situa ia mai frecvent! este totu"i aceea în care exist! un concentrator sau un comutator conectat la mai multe calculatoare, "i la alte concentratoare sau comutatoare adi ionale, ca în fig. 4-22(b). În ambele configura ii, fiecare cablu individual de Ethernet conecteaz! exact dou! sisteme – nici mai multe, nici mai pu ine.

Ethernetul Gigabit suport! dou! moduri diferite de operare: modul duplex integral "i modul semi-duplex. Modul „normal” este cel duplex integral, care permite traficul în ambele direc ii în ace-la"i timp. Acest mod este folosit atunci când exist! un comutator central la care sunt conectate calcu-latoarele (sau alte comutatoare) de la periferie. În aceast! configura ie, toate liniile sunt prev!zute cu spa ii tampon astfel încât fiecare calculator "i fiecare comutator sunt libere s! transmit! cadre oricând doresc. Emi !torul nu trebuie s! verifice canalul ca s! vad! dac! este utilizat de altcineva, deoarece conflictele sunt imposibile. Pe linia dintre un calculator "i un comutator, calculatorul este singurul emi !tor posibil c!tre acel comutator "i transmisia va reu"i chiar "i în cazul în care comuta-torul transmite în acela"i timp un cadru c!tre calculator, deoarece linia este duplex. Din moment ce conflictele sunt imposibile, protocolul CSMA/CD nu este utilizat, astfel încât lungimea maxim! a cablului este determinat! de argumente referitoare la intensitatea semnalului, "i nu de considerente referitoare la durata maxim! a propag!rii zgomotului unei ciocniri c!tre emi !tor. Comutatoarele sunt libere s! amestece "i s! potriveasc! vitezele. Autoconfigurarea este suportat! la fel ca în Ethernetul rapid.

Cel!lalt mod de operare, semi-duplex, este folosit când calculatoarele sunt conectate la un con-centrator mai degrab! decât la un comutator. Un concentrator nu stocheaz! cadrele care vin într-un spa iu tampon. În loc s! fac! asta, el conecteaz! electric toate liniile în interior, simulând cablul multi-punct folosit în Ethernetul clasic. În acest fel, exist! posibilitatea s! apar! coliziuni, astfel încât stan-dardul CSMA/CD este necesar. Din cauz! c! un cadru de lungime minim! (adic! de 64 de octe i) poate fi transmis acum de #00 de ori mai rapid decât în Ethernetul clasic, distan a maxim! este de #00 de ori mai mic! – adic! de 25 de metri, pentru a men ine proprietatea esen ial! c! emi !torul mai transmite încât atunci când zgomotul ajunge înapoi la el, chiar "i în cel mai r!u caz. Cu un cablu lung de 2500 de metri, emi !torul unui cadru de 64 de octe i la #Gbps va fi terminat de mult înainte ca drumul parcurs de cadru s! fie m!car o zecime din cât are de mers – f!r! s! mai socotim "i returul.

Comitetul 802.3z a considerat c! o raz! de 25 de metri este inacceptabil! "i a ad!ugat dou! carac-teristici standardului pentru a m!ri raza. Prima caracteristic!, numit! extinderea de c!tre purt!tor, se refer! practic la a spune dispozitivului hardware s! realinieze cadrul, m!rindu-l pân! la 5#2 octe i. Din moment ce aceast! completare este ad!ugat! de dispozitivul hardware emi !tor "i este înl!tura-t! de dispozitivul hardware receptor, partea software nu este con"tient! de existen a sa, "i prin urma-re nu trebuie s! sufere modific!ri. Desigur, transmiterea a 5#2 octe i de l!rgime de band! pentru a transmite 46 octe i de date ale utilizatorului (înc!rc!tura propriu-zis! a cadrului de 64 de octe i) are o eficien ! de transmitere de 9%.

A doua caracteristic!, denumit! cadre în rafal! (frame bursting), permite unui transmi !tor s! trimit! o secven ! concatenat! de cadre multiple într-o singur! transmisie. Dac! rafala total! este mai mic! de 5#2 octe i, dispozitivul hardware o completeaz! din nou pân! la 5#2 octe i. Dac! sunt destule cadre care a"teapt! s! fie transmise, aceast! schem! este foarte eficient! "i este preferat! extinderii de c!tre purt!tor. Aceste noi caracteristici extind raza la 200 de metri, ceea ce probabil este suficient pentru majoritatea birourilor.


Ca s! fim sinceri, este destul de greu s! ne imagin!m o organiza ie trecând prin toate dificult! ile cump!r!rii "i instal!rii pl!cilor de Ethernet gigabit pentru a ob ine o performan ! ridicat!, "i apoi conectând calculatoarele printr-un concentrator pentru a simula Ethernetul clasic cu toate coliziuni-le sale. De"i concentratoarele sunt oarecum mai ieftine decât comutatoarele, pl!cile de Ethernet gigabit sunt totu"i scumpe. S! faci economii prin cump!rarea unui concentrator ieftin "i astfel s! reduci performan a noului sistem este o prostie. Totu"i, compatibilitatea cu versiunile anterioare este sacr! în industria calculatoarelor, astfel încât comitetul 802.3z a trebuit s! se conformeze.

Ethernetul gigabit suport! atât cablarea cu cupru cât "i cablarea cu fibr!, precum este descris în fig. 4-23. Semnalizarea la nivelul de #Gbps sau în jurul acestei viteze, înseamn! c! sursa de lumin! trebuie s! fie închis! "i deschis! în mai pu in de #ns. LED-urile pur "i simplu nu pot lucra atât de ra-pid, astfel încât este nevoie de lasere. Dou! lungimi de und! sunt permise: 0.85 microni (scurt) "i #.3 microni (lung). Laserele de 0.85 microni sunt mai ieftine dar nu func ioneaz! pe fibra mono-mod.

Nume Cablu Segment maxim

Avantaje

000Base-SX Fibr" de sticl" 550 m Fibr" multimod (50 !i 62,5 microni) 000Base-LX Fibr" de sticl" 5000 m Mono-mod ( 0µ) sau multimod (50 !i 62,5 µ) 000Base-CX 2 perechi de STP 25 m Pereche torsadat" ecranat" 000Base-T 4 perechi de UTP 00 m UTP Categoria 5

Fig. 4-23. Cablarea pentru Ethernet gigabit.

Sunt permise trei diametre de fibr!: #0, 50 "i 62,5 microni. Prima este pentru mono-mod "i cele-lalte dou! sunt pentru multimod. Nu toate cele "ase combina ii sunt permise, totu"i, iar distan a ma-xim! depinde de combina ia folosit!. Numerele date în fig. 4-23 se refer! la cazul cel mai fericit. În particular, 5000 de metri pot fi obi"nui i numai dac! lasere de #,3 microni opereaz! pe fibr! de #0 microni mono-mod, dar aceasta este cea mai bun! alegere pentru structurile vertebrale din campu-suri "i este de a"teptat s! fie popular!, de"i este "i cea mai scump! alegere.

Op iunea #000Base-CX folose"te cabluri de cupru scurte "i protejate. Problema sa este c! se afl! în concuren ! cu versiunea cu fibr! de înalt! performan ! prezentat! mai sus "i cu versiunea ieftin! UTP de mai jos. Este destul de pu in probabil s! fie folosit! la scar! larg!, în cele din urm!.

Ultima op iune se refer! la smocuri de patru cabluri UTP de categoria 5 lucrând împreun!. De-oarece aceste cabluri sunt deja instalate în multe cazuri, este probabil c! acest Ethernet gigabit va fi cel adoptat de clien ii cu buzunare strâmte.

Ethernetul gigabit folose"te reguli noi de codificare pe fibre. Codificarea Manchester la # Gbps ar ave anevoie de un semnal de 2 Gbaud, care a fost considerat foarte dificil "i de asemenea foarte risipitor în ceea ce prive"te banda. A fost aleas! în loc o nou! schem!, numit! 8B/#0B, bazat! pe canale de fibr!. Fiecare octet de 8 bi i este codificat pe fibr! ca #0 bi i, de unde "i denumirea de 8B/#0B. Din moment ce exist! #024 cuvinte de cod de ie"ire pentru fiecare octet de intrare, exista un oarecare spa iu de alegere în ceea ce prive"te cuvintele care s! fie permise. Urm!toarele dou! reguli au fost folosite pentru a lua o decizie:

#. Nici un cuvânt de cod nu poate avea mai mult de patru bi i identici la rând; 2. Nici un cuvânt de cod nu poate avea mai mult de "ase de 0 sau "ase de #.

Aceste alegeri urm!reau s! p!streze destule transmisiuni pe flux pentru a se asigura c! recepto-rul r!mâne sincronizat cu emi !torul, "i de asemenea pentru a p!stra num!rul de 0-uri "i de #-uri pe fibr! pe cât posibil egale între ele. În plus, pentru mul i octe i de intrare exist! dou! cuvinte de cod


care pot fi atribuite. Când codificatorul are de f!cut o alegere, va alege întotdeauna varianta care va egaliza num!rul de 0 "i # transmi"i pân! la momentul respectiv. Accentul este pus pe echilibrarea 0-urilor "i #-urilor pentru a p!stra componenta continu! a semnalului la un nivel cât mai sc!zut cu pu-tin ! "i pentru a-i permite s! treac! nemodificat! prin transformatoare. De"i cercet!torii în domeniul calculatoarelor nu sunt prea încânta i de faptul c! propriet! ile transformatoarelor le dicteaz! sche-mele de codificare, a"a se întâmpl! în via ! uneori.

Ethernetul gigabit care folose"te #000Base-T utilizeaz! o schem! diferit! de codificare deoarece sincronizarea datelor pe un cablu de cupru într-un interval de #ns este prea dificil!. Aceast! solu ie folose"te patru cabluri torsadate de categorie 5 pentru a permite unui num!r de 4 simboluri s! fie transmise în paralel. Fiecare simbol este codificat folosind unul din cele cinci niveluri de voltaj. Aceast! schem! permite ca un singur simbol s! fie codificat 00, 0#, #0, ## sau cu o valoare special! în scop de control. Prin urmare, exist! doi bi i de date per pereche torsadat!, sau 8 bi i de date per ciclu de ceas. Ceasul func ioneaz! la #25 MHz, permi ând operarea la # Gbps. Motivul pentru care sunt permise cinci niveluri de voltaj în loc de patru este necesitatea de a avea combina ii r!mase disponi-bile în scopuri de control "i delimitare.

O vitez! de # Gbps este destul de mare. De exemplu, dac! un receptor este ocupat cu o alt! sar-cin! chiar pentru # ms "i nu gole"te spa iul tampon de pe vreo linie, pân! atunci este posibil s! se fi acumulat chiar "i #953 cadre, în acel interval de # ms. De asemenea, dac! un calculator care folose"-te Ethernet gigabit transmite date unui calculator care folose"te Ethernet clasic, este foarte probabil ca memoria tampon a celui din urm! s! fie epuizat!, iar cadrele urm!toare s! fie pierdute. Ca o con-secin ! a acestor dou! observa ii, Ethernetul gigabit suport! fluxuri de control (ca "i Ethernetul ra-pid, de"i cele dou! sunt diferite).

Flux de control înseamn! c! un cap!t trimite un cadru special de control c!tre cel!lalt cap!t, spunându-i s! ia o pauz! pentru o anumit! perioad! de timp. Cadrele de control sunt în general ca-dre Ethernet având tipul 0x8808. Primii doi octe i din câmpul de date dau comanda; urm!torii octe i ofer! parametrii, dac! exist! vreunul. Pentru fluxul de control sunt folosi i cadre PAUSE, în care parametrii specific! lungimea pauzei, în unit! i de durat! minim! a cadrului. Pentru Ethernetul gigabit unitatea de timp este de 5#2 ns, permi ând pauze de maxim 33,6 ms.

Imediat dup! ce Ethernetul gigabit a fost standardizat, comitetul 802 s-a plictisit "i î"i dorea s! treac! înapoi la treab!. IEEE le-a spus s! înceap! s! lucreze la un Ethernet de #0-gigabit. Dup! ce au c!utat îndelung o liter! care s!-i urmeze lui z, au abandonat aceast! abordare "i au trecut la sufixe din dou! litere. S-au apucat de treab! "i standardul a fost aprobat de IEEE în 2002 ca 802.3ae. Oare cât de departe poate fi Ethernetul de #00-gigabit?

4.3.9 IEEE 802.2: Controlul leg!turilor logice

Acum este momentul s! ne întoarcem la discu iile anterioare "i s! compar!m ce am înv! at în acest capitol cu ce am studiat în capitolul precedent. În cap. 3 am v!zut cum dou! calculatoare pot comunica sigur printr-o linie nesigur! folosind diferite protocoale de leg!turi de date. Aceste proto-coale ofereau controlul erorilor (prin mesaje de confirmare) precum "i controlul fluxului de date (folosind o fereastr! glisant!).

Dimpotriv!, în acest capitol nu am vorbit deloc despre comunica ii stabile. Tot ceea ce ofer! Ethernetul, ca "i celelalte protocoale 802, este un serviciu datagram! de tipul „best-effort” (cea mai bun! încercare). Uneori, acest serviciu este adecvat. De exemplu, în cazul transport!rii pachetelor

SEC. 4.3 ETHERNET 26"

IP, nu sunt cerute "i nici m!car nu sunt a"teptate garan ii. Un pachet IP poate s! fie inserat într-un câmp de informa ie util! 802 "i trimis încotro o fi. Dac! se pierde, asta e.

Totu"i, exist! "i sisteme în care este de dorit un protocol de leg!tur! de date cu control al erorilor "i al fluxului. IEEE a definit un astfel de protocol care poate func iona peste Ethernet "i peste cele-lalte protocoale 802. Mai mult, acest protocol, numit LLC (Logical Link Control, rom: controlul leg!turilor logice), ascunde diferen ele între diferitele tipuri de re ele 802, oferind un singur format "i o singur! interfa ! pentru nivelul re ea. Formatul, interfa a "i protocolul sunt bazate îndeaproape pe protocolul HDLC, pe care l-am studiat în cap. 3. LLC formeaz! jum!tatea superioar! a nivelului leg!tur! de date, având nivelul MAC dedesubt, dup! cum se vede în fig. 4-24.

Fig. 4-24. (a) Pozi ia LLC. (b) Formatul protocoalelor.

Utilizarea tipic! a LLC este prezentat! în continuare. Nivelul re ea de pe calculatorul emi !tor

trimite un pachet c!tre LLC, folosind primitivele de acces LLC. Subnivelul LLC adaug! apoi un antet LLC, con inând numere care indic! secven a "i mesajul de confirmare. Structura rezultat! este inserat! apoi în câmpul de informa ie util! al unui cadru 802 "i apoi transmis!. Când cadrul ajunge la receptor se desf!"oar! procesul invers.

LLC ofer! trei op iuni de servicii: servicii pentru datagrame nesigure, confirmarea serviciului de datagrame, "i un serviciu sigur orientat spre conexiuni. Antetul LLC con ine trei câmpuri: un punct de acces de destina ie, un punct de acces surs! "i un câmp de control. Punctul de acces spune din partea c!rui proces a sosit cadrul "i unde trebuie transportat, înlocuind câmpul „tip” DIX. Câmpul de control con ine numere de secven ! "i de confirmare, în stilul lui HDLC (vezi fig. 3-24), dar nu identic cu acesta. Aceste câmpuri sunt folosite în principal atunci când este necesar! o conexiune stabil! la nivelul leg!tur! de date, caz în care ar fi folosite protocoale similare cu cele discutate în cap. 3. Pentru Internet, încerc!rile de a transmite pachete IP f!r! garan ii sunt suficiente, astfel încât nu este nevoie de confirm!ri la nivelul LLC.

4.3."0 Retrospectiva Ethernetului

Ethernetul func ioneaz! deja de 20 de ani "i înc! nu exist! competitori serio"i, a"a c! probabil va mai func iona înc! mul i ani. Pu ine arhitecturi CPU, sisteme de operare sau limbaje de programare au dominat scena pentru dou! sau trei decenii. Evident, Ethernetul a f!cut ceva cum trebuie. Ce anume?

Probabil c! motivul principal al longevit! ii sale este c! Ethernetul este simplu "i flexibil. Din punct de vedere practic simplu înseamn!: stabil, ieftin, "i u"or de între inut. Odat! ce conectorii vampir au fost înlocui i de conectori BNC, e"ecurile au devenit extrem de rare. Oamenii ezit! s! înlocuiasc! ceva ce merge perfect tot timpul, mai ales când "tiu c! o gr!mad! de lucruri din industria


calculatoarelor merg foarte prost, astfel încât multe dintre a"a numitele îmbun!t! iri func ioneaz! semnificativ mai prost decât versiunea pe care au înlocuit-o.

Simplu înseamn! de asemenea ieftin. Ethernetul sub ire "i cablarea cu cabluri torsadate sunt re-lativ ieftine. Pl!cile de re ea nu sunt nici ele scumpe. Doar când au fost introduse concentratoarele "i comutatoarele au fost necesare investi ii substan iale, dar în momentul în care acestea au ap!rut în peisaj, Ethernetul era deja solid stabilit.

Ethernetul este u"or de între inut. Nu trebuie instalat nici un software (în afara driver-elor) "i nu exist! tabele de configura ii care s! trebuiasc! administrate ("i astfel s! fie un prilej de gre"eli). De asemenea, ad!ugarea unor noi sta ii nu înseamn! nimic mai mult decât introducerea unui cablu în placa lor de re ea.

Un alt aspect este faptul c! Ethernetul se integreaz! u"or cu TCP/IP, care a devenit dominant. IP este un protocol f!r! conexiune, ceea ce se potrive"te perfect cu Ethernetul, care nici el nu este ori-entat pe conexiune. De exemplu, IP se potrive"te mult mai greu cu ATM, care este orientat spre conexiune "i aceast! nepotrivire este un dezavantaj serios în impunerea ATM.

În cele din urm!, Ethernetul a fost capabil s! evolueze în anumite aspecte cruciale. Vitezele au crescut cu câteva ordine de m!rime, au fost introduse concentratoarele "i comutatoarele, iar aceste schimb!ri nu au necesitat schimbarea interfe elor software. Dac! un vânz!tor din domeniul re elelor v! arat! o instala ie ampl! "i v! spune „am aceast! nou! re ea fantastic! pentru Dvs. Tot ce trebuie s! face i este s! v! arunca i tot hardware-ul "i s! v! rescrie i tot software-ul”, atunci are o problem!. FDDI, Canal de fibr! "i ATM au fost toate mai rapide decât Ethernetul când au fost introduse, dar erau incompatibile cu Ethernetul, mult mai complexe "i mai dificil de administrat. În cele din urm! Ethernetul le-a ajuns din urm! în ceea ce prive"te viteza, astfel încât, r!mase f!r! nici un avantaj, au murit în t!cere – cu excep ia ATM care este folosit în interiorul sistemului de telefonie.

4.4 RE#ELE LOCALE F$R$ FIR

De"i Ethernetul este folosit pe scar! larg!, competi ia este pe cale s! apar!. LAN-urile f!r! fir sunt din ce în ce mai populare, "i tot mai multe cl!diri, aeroporturi "i alte spa ii publice sunt echipate cu ele. LAN-urile f!r! fir pot opera în dou! configura ii, dup! cum am v!zut în fig. #-35: cu sau f!r! sta ie de baz!. Prin urmare, standardul LAN 802.## ia acest fapt în considerare "i ofer! sprijin pen-tru ambele aranjamente, dup! cum vom vedea în continuare.

Am oferit ni"te informa ii introductive despre 802.## în sec iunea #.5.4. Acum este momentul s! ne uit!m mai îndeaproape la tehnologie. În sec iunile urm!toare ne vom uita la stiva de protocoale, la tehnicile de la nivelul fizic radio de transmisiuni, la protocolul subnivelului MAC, la structura ca-drelor "i la servicii. Pentru mai mult! informa ie despre 802.## vezi (Crov et. al., #997; Geier, 2002; Heegard et. al, 200#; Kapp, 2002; O`Hara "i Petrick, #999; Severance, #999). Pentru a afla adev!rul chiar de la surs!, consulta i standardul publicat al 802.##.

4.4.". Stiva de protocoale 802.""

Protocoalele folosite de toate variantele 802, inclusiv Ethernetul, au o anumit! similaritate a structurii. O viziune par ial! a stivei de protocoale 802.## este prezentat! în fig. 4-25. Nivelul fizic

SEC. 4.4 RE$ELE LOCALE F%R% FIR 263

corespunde destul de bine cu nivelul fizic OSI, dar nivelul de leg!tur! de date în toate protocoalele 802 este divizat în dou! sau mai multe subniveluri. În 802.##, subnivelul MAC (Medium Access Control) determina alocarea canalului, "i anume cine va transmite urm!torul. Deasupra sa se afl! subnivelul LLC (Logical Link Control), a c!rui treab! este s! ascund! diferen ele dintre diferitele variante 802 "i s! le fac! s! par! la fel pentru nivelul re ea. Am studiat LLC mai devreme în acest capitol, atunci când am discutat Ethernetul, astfel încât nu vom repeta aceast! informa ie aici.

Standardul 802.## din #997 specific! trei tehnici de transmisie permise la nivelul fizic. Metoda in-fraro"u folose"te cam aceea"i tehnologie ca "i telecomenzile TV. Celelalte dou! folosesc transmisia radio pe distan ! scurt!, prin tehnici denumite FHSS "i DSSS. Ambele utilizeaz! o parte a spectrului care nu necesit! licen e (banda 2,4 GHz ISM). U"ile de garaj care se deschid prin mesaje radio folo-sesc tot aceast! parte a spectrului, astfel încât calculatorul vostru s-ar putea afla în competi ie cu u"a de la garaj. Telefoanele f!r! fie "i cuptoarele cu microunde folosesc "i ele aceast! band!. Toate aces-te tehnici opereaz! la #Mbps sau 2Mbps "i cu putere suficient de mic! astfel încât nu intr! prea mult în conflict. În #999 au fost introduse dou! noi tehnici pentru a ob ine o band! mai larg!. Acestea sunt denumite OFDM "i HR-DSSS. Ele opereaz! pân! la 54Mbps "i respectiv ##Mbps. În 200#, o a doua modula ie OFDM a fost introdus!, dar într-o band! de frecven ! diferit! de prima. În continu-are le vom examina pe fiecare pe scurt. Din punct de vedere tehnic acestea apar in nivelului fizic "i ar fi trebuit s! fie examinate în cap. 2, dar deoarece sunt atât de strâns legate de re elele locale în general "i de subnivelul 802.## MAC, le abord!m mai degrab! aici.

Fig. 4-25. Parte a stivei protocolului 802.##.

4.4.2. Nivelul fizic al 802.""

Fiecare dintre cele cinci tehnici de transmitere permise face posibil! trimiterea unui cadru MAC de la o sta ie la alta. Totu"i, ele difer! în ceea ce prive"te tehnologia folosit! "i vitezele la care pot ajunge. O discu ie detaliat! a acestor tehnologii este cu mult în afara cadrului acestei c!r i, dar câte-va cuvinte despre fiecare, precum "i men ionarea cuvintelor cheie vor oferi cititorilor interesa i ter-menii necesari pentru a g!si mai mult! informa ie pe Internet sau în alt! parte.


Solu ia bazat! pe infraro"u folose"te transmisiuni cu difuzare (adic! f!r! vizibilitate direct!) la 0,85 sau 0,95 microni. Sunt permise dou! viteze: #Mbps "i 2Mbps. La #Mbps se folose"te o schem! de codificare în care un grup de 4 bi i este codificat ca un cuvânt de #6 bi i con inând #5 de 0 "i un singur #, prin ceea ce se nume"te codul Gray. Acest cod are proprietatea c! o mic! eroare în sincro-nizarea temporal! duce doar la o eroare de un bit în output. La 2Mbps, codificarea ia 2 bi i "i produ-ce un cuvânt codificat de 4 bi i, de asemenea cu un singur # – adic! unul dintre 000#, 00#0, 0#00 "i #000. Semnalele infraro"ii nu pot trece prin ziduri, deci celulele din camere diferite sunt bine izolate unele de altele. Totu"i, datorit! l!rgimii de band! reduse ("i faptului c! lumina soarelui afecteaz! semnalele în infraro"u), aceasta nu este o op iune popular!.

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, rom: salturi de frecven ! într-un spectru larg) fo-lose"te 79 de canale, fiecare de #MHz, începând la nivelul inferior al benzii de 2.4GHz ISM. Un ge-nerator de numere pseudo-aleator este utilizat pentru a produce secven a de frecven e dup! care se vor efectua salturile. Cât timp sta iile folosesc aceea"i r!d!cin! pentru generatorul de numere pseu-do-aleatoare "i stau sincronizate, ele vor s!ri simultan la acelea"i frecven e. Durata petrecut! pe fie-care frecven !, denumit! „timpul de locuire”, este un parametru ajustabil, dar trebuie s! fie mai mi-c! de 400 ms. Factorul aleator al FHSS ofer! o metod! eficient! de alocare a spectrului în banda ISM care nu este reglementat!. De asemenea, ofer! un minimum de securitate, deoarece un intrus care nu cunoa"te secven a de salt sau timpul de locuire nu poate trage cu urechea la transmisiuni. Dac! distan ele sunt mari, apare problema atenu!rii la transmisia pe mai multe c!i, dar FHSS ofer! o rezisten ! bun!. Este de asemenea relativ insensibil la interferen a radio, ceea ce îl face popular pentru leg!turile dintre cl!diri. Principalul s!u dezavantaj îl constituie l!rgimea de band! redus!.

Ce-a de-a treia metod! de modulare, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, rom: spectru larg cu succesiune direct!) este de asemenea limitat! la #Mbps sau 2Mbps. Aceast! schem! are anumite similarit! i cu sistemul CDMA pe care l-am examinat în sec iunea 2.6.2, dar difer! în alte privin e. Fiecare bit este transmis ca o secven ! de ## fragmente, folosind ceea ce se nume"te secven-

! Barker. Este folosit! schimbarea modul!rii în faz! la #Mbaud, transmi ând un bit per baud când opereaz! la #Mbps "i 2 bi i per baud când opereaz! la 2Mbps. O bun! bucat! de timp, FCC a cerut ca toate echipamentele de comunica ii f!r! fir care opereaz! în banda ISM în Statele Unite s! folo-seasc! împr!"tierea spectrului, dar aceast! regul! a fost abandonat! în mai 2002, datorit! apari iei unor noi tehnologii.

Prima dintre re elele locale f!r! fir de mare vitez!, 802.##a, folose"te OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing, rom: multiplexare cu divizare în frecven e ortogonale) pentru a transmite pân! la 54Mbps în banda mai larg! de 5GHz ISM. Dup! cum sugereaz! "i termenul FDM, sunt folosite diferite frecven e – un num!r de 52 de frecven e, 48 pentru date "i 4 pentru sin-cronizare – similar cu ADSL. Din moment ce transmisiunile sunt prezente pe frecven e multiple în acela"i timp, aceast! tehnic! este considerat! o form! de împr!"tiere a spectrului, dar diferit! de CDMA "i FHSS. Divizarea semnalului în mai multe benzi înguste are anumite avantaje comparativ cu folosirea unei benzi unice largi, incluzând o imunitate mai bun! la interferen a de band! îngust! "i posibilitatea utiliz!rii benzilor care nu sunt contigue. Este folosit un sistem complex de codificare, bazat pe modularea schimb!rii de faz! pentru viteze de pân! la #0 Mbps "i pe QAM la viteze super-ioare. La 54 Mbps, 2#6 de bi i de date sunt codifica i în simboluri de 288 de bi i. O parte din motiva- ia pentru OFDM este compatibilitatea cu sistemul European HiperLAN/2 (Doufexi et al., 2002). Tehnica are o eficien ! bun! a spectrului în termeni de bi i / Hz "i o imunitate bun! în fa a atenu!rii la transmisia pe mai multe c!i.


În continuare, am ajuns la HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum, rom: spectru larg cu succesiune direct! la rat! ridicat!), o alt! tehnic! de spectru larg, care folose"te ## milioane de fragmente/secund! pentru a ob ine ##Mbps în banda de 2,4 GHz. Este denumit! 802.""b, dar nu este o continuare pentru 802.##a. De fapt, standardul s!u a fost aprobat primul "i lansat pe pia ! primul. Vitezele de date suportate de 802.##b sunt #, 2, 5,5 "i ## Mbps. Cele dou! viteze reduse se ob in la #Mbaud, cu # "i respectiv 2 bi i per baud, folosind modularea schimb!rii de faz! (pentru a fi compati-bil cu DSSS). Cele dou! viteze mai mari se ob in la #,375 Mbaud, cu 4 "i respectiv 8 bi i per baud, fo-losind codurile Walsh/Haramard. Viteza datelor poate fi adaptat! dinamic în timpul oper!rii, pentru a ob ine viteza optim! posibil! în condi iile curente de înc!rcare "i zgomot. În practic!, viteza opera i-onal! a lui 802.##b este de aproape ##Mbps. De"i 802.##b este mai încet decât 802.##a, spa iul s!u de varia ie este de aproape "apte ori mai mare, ceea ce este mai important în multe situa ii.

O versiune îmbun!t! it! a 802.##b, 802.##g, a fost aprobat! de IEEE în noiembrie 200#, dup! multe dispute în leg!tur! cu ce tehnologie patentat! s! foloseasc!. Aceasta utilizeaz! modula ia OFDM a versiunii 802.##a, dar opereaz! în banda îngust! 2,4 GHz ISM ca "i 802.##b. Teoretic vor-bind, poate opera la peste 54Mbps. Nu este înc! foarte clar precizat momentul când aceast! vitez! va fi realizat! în practic!. Prin urmare, comitetul 802.## a produs trei re ele locale f!r! fir: 802.##a, 802.##b "i 802.##c (f!r! s! men ion!m trei re ele locale f!r! fir de vitez! redus!). Ne-am putea pune întrebarea legitim! dac! asta este un lucru bun pentru un comitet de standardizare. Poate c! trei este num!rul lor cu noroc.

Fig. 4-26. (a) Problema sta iei ascunse. (b) Problema sta iei expuse.

4.4.3 Protocolul subnivelului MAC al 802.""

S! ne întoarcem acum din domeniul ingineriei electrice în domeniul "tiin ei calculatoarelor. Pro-tocolul subnivelului MAC al 802.## este destul de diferit de acela al Ethernetului datorit! complexi-t! ii inerente a mediului f!r! fir, comparativ cu un sistem de cabluri. În Ethernet o sta ie a"teapt! pân! când eterul a t!cut "i apoi începe s! transmit!. Dac! nu aude un zgomot de ciocnire în primii 64 de octe i înseamn! ca aproape sigur cadrul a fost recep ionat corect. În cazul re elelor f!r! fir, situa ia e diferit!.

Pentru început, apare problema sta iei ascunse men ionat! anterior "i ilustrat! în fig. 4-26(a). Din moment ce nu toate sta iile se afl! în domeniul de acces radio una fa ! de alta, transmisiunile


care se petrec într-o parte a celulei pot s! nu fie recep ionate în alt! parte a celulei. În acest exemplu, sta ia C transmite sta ie B. Dac! A observ! canalul, nu va auzi nimic "i va trage concluzia fals! c! poate acum s! înceap! s!-i transmit! lui B.

În plus, exist! "i problema invers!, a sta iei expuse, ilustrat! în fig. 4-26(b). Aici B vrea s!-i trimit! lui C astfel încât observ! canalul. Când aude o transmisiune trage concluzia fals! c! nu poate s!-i transmit! lui C, chiar dac! de fapt A îi transmite lui D (care este absent din imagine).

Mai mult, majoritatea radiourilor sunt semi-duplex, ceea ce înseamn! c! nu pot transmite "i as-culta zgomotele de coliziuni simultan pe aceea"i frecven !. Ca urmare a acestor probleme, 802.## nu utilizeaz! CSMA/CD utilizat de Ethernet.

Pentru a face fa ! acestor probleme, 802.## suport! dou! tipuri de opera ii. Primul, denumit DCF (Distributed Coordination Function, rom: func ie de coordonare distribuit!), nu folose"te nici un fel de control central (fiind similar în aceast! privin ! Ethernetului). Cel!lalt, denumit PCF

(Point Coordination Function, rom: func ie de coordonare punctual!), folose"te sta ia de baz! pen-tru a coordona toat! activitatea din celula sa. Toate implement!rile trebuie s! poat! sus ine DCF, dar PCF este op ional. Vom discuta acum aceste dou! modalit! i, alternativ.

Când este folosit DCF, 802.## utilizeaz! un protocol denumit CSMA/CA (CSMA with Collision

Avoidance, rom: CSMA cu evitarea coliziunilor). În acest protocol se folose"te atât observarea cana-lelor fizice, cât "i observarea canalelor virtuale. CSMA/CA suport! dou! tipuri de opera ii. În prima metod!, atunci când o sta ie vrea s! transmit!, observ! canalul. Dac! este liber, începe s! transmit!. Nu va mai asculta canalul în timpul transmisiunii, ci va trimite întregul cadru, care ar putea foarte bine s! fie distrus la receptor datorit! interferen ei. Dac! în schimb canalul este ocupat, emi !torul amân! transmisia pân! când mediul se elibereaz! "i abia apoi începe s! transmit!. Dac! apare o co-liziune, sta iile implicate a"teapt! un timp aleatoriu, folosind algoritmul exponen ial de regresie bi-nar!, "i mai încearc! o dat!.

Cealalt! metod! a CSMA/CA se bazeaz! pe MACAW "i folose"te observarea canalelor virtuale, dup! cum este ilustrat în fig. 4-27. În acest exemplu, A vrea s! transmit! c!tre B. C este o sta ie din sfera de recep ie a lui A (posibil "i a lui B, dar nu conteaz!). D este o sta ie din sfera lui B dar în afara sferei lui A.

Fig. 4-27. Utilizarea canalului virtual utilizând CSMA/CA.

Protocolul începe când A decide c! vrea s! emit! c!tre B. Începe prin a trimite un cadru RTS c!-

tre B, pentru a-i cere permisiunea s! îi trimit! un cadru. Când B prime"te aceast! cerere, se poate decide s! ofere permisiunea, caz în care trimite un cadru CTS înapoi. Dup! ce prime"te CTS, A î"i trimite cadrul "i ini iaz! un cronometru pentru ACK. Dup! recep ionarea corect! a cadrului de date,


B r!spunde cu un cadru ACK, terminând schimbul. În cazul în care cronometrul pentru ACK a lui A expir! înainte ca ACK s! revin! la el, întregul protocol este luat de la cap!t.

S! ne uit!m acum la acest schimb din perspectiva lui C "i a lui D. C este în sfera lui A, deci poate primi cadrul RTS. Dac! îl prime"te, î"i va da seama c! o sta ie urmeaz! s! emit! date în curând, ast-fel încât se va ab ine s! transmit! orice pân! când schimbul este complet. Din informa ia prezent! în cererea RTS poate estima durata tranzac iei, incluzând ACK-ul final, astfel încât î"i simuleaz! o ocupare virtual!, indicat! în fig. 4-27 de NAV (Network Allocation Vector, rom: vector de alocare a re elei). D nu aude RTS, dar aude CTS, astfel încât de asemenea î"i aloc! un NAV. Observa i c! semnalele NAV nu sunt transmise; ele sunt doar modalit! i interne de a aminti sta iilor s! tac! pen-tru o anumit! perioad!.

Spre deosebire de re elele cablate, re elele f!r! fir sunt zgomotoase "i instabile, într-o oarecare m!sur! "i datorit! cuptoarelor cu microunde, care folosesc "i ele banda f!r! licen ! ISM. Ca urmare, probabilitatea unui cadru de a ajunge la destina ie cu succes scade odat! cu cre"terea lungimii cadru-lui. Dac! probabilitatea unei erori la nivel de # bit este p, atunci probabilitatea unui cadru de n bi i de a ajunge corect la final este (#-p)n. De exemplu, dac! p=#0-4, probabilitatea de a recep iona co-rect un cadru Ethernet întreg (#2.#44 bi i) este mai mic! de 30%. Dac! p=#0-5, aproximativ un ca-dru din 9 va fi afectat. Chiar dac! p=#0-6, peste #% dintre cadre vor fi afectate, ceea ce înseamn! aproape o duzin! pe secund!, "i chiar mai multe dac! se folosesc cadre mai scurte decât valoarea maxim!. Pe scurt, dac! un cadru este prea lung, are pu ine "anse s! fie transmis f!r! avarii, "i va tre-bui, cel mai probabil, retransmis.

Pentru a rezolva problema canalelor zgomotoase, 802.## permite cadrelor s! fie fragmentate în buc! i mai mici, fiecare cu propria sum! de control. Fragmentele sunt numerotate individual "i con-firmate folosind un protocol pas-cu-pas (emi !torul nu poate transmite fragmentul k+# decât dup! ce a primit confirmarea pentru fragmentul k). Odat! ce canalul a fost ob inut prin RTS "i CTS, mai multe fragmente pot fi trimise într-un "ir, ca în fig. 4-28, secven a purtând numele de rafal! de frag-

mente (fragment burst).

Fig. 4-28. O rafal! de fragmente.

Fragmentarea cre"te productivitatea prin restric ionarea retransmiterii doar la fragmentele ero-

nate, eliminând necesitatea de a retransmite întregul cadru. Dimensiunea fragmentului nu este fixa-t! de standard, ci este un parametru pentru fiecare celul! "i poate fi ajustat! de c!tre sta ia de baz!. Mecanismul NAV men ine celelalte sta ii t!cute numai pân! la confirmarea urm!toare, dar un alt


mecanism (descris în cele ce urmeaz!) este utilizat pentru a permite unei întregi rafale de fragmente s! fie transmis! f!r! interferen e.

Toat! discu ia anterioar! se aplic! numai modului DCF 802.##. În acest mod, nu exist! control centralizat, iar sta iile sunt în competi ie pentru timpul de transmisie, exact ca la Ethernet. Cel!lalt mod permis este PCF, în care sta ia de baz! interogheaz! celelalte sta ii întrebându-le dac! au cadre de transmis. Din moment ce, în mod PCF, ordinea transmisiilor este complet controlat! de c!tre sta ia de baz!, nu apar niciodat! coliziuni. Standardul prescrie mecanismul pentru interogare, dar nu frecven a interog!rilor, ordinea interog!rilor "i nici m!car dac! sta iile trebuie s! primeasc! toate drepturi egale.

Mecanismul principal este acela prin care sta ia de baz! emite periodic (de #0 pân! la #00 de ori pe secund!) un cadru baliz! (beacon frame). Cadrul baliz! con ine parametrii de sistem, cum ar fi intervalul de salt "i timpii de via ! (pentru FHSS), sincroniz!ri de ceas, etc. De asemenea, acest cadru invit! sta iile noi s! se înregistreze pentru serviciul de interogare. Din momentul în care o sta ie s-a înregistrat pentru serviciul de interogare la o anumit! vitez!, aceasta va beneficia garantat de o frac i-une din l! imea de band!, în acest fel fiind posibil! oferirea de garan ii de tip calitatea-serviciului.

Via a bateriei este întotdeauna o problem! în cazul dispozitivelor mobile f!r! fir, deci 802.## acord! aten ie problemei gestion!rii consumului. În particular, sta ia de baz! poate instrui un dispo-zitiv mobil s! intre în a"teptare pân! când este trezit în mod explicit de c!tre sta ia de baz! sau de c!tre utilizator. Totu"i, punerea unei sta ii în a"teptare presupune ca sta ia de baz! s! aib! responsa-bilitatea stoc!rii în zone tampon a cadrelor direc ionate c!tre sta ia respectiv! atâta timp cât aceasta este în a"teptare. Aceste cadre vor putea fi colectate ulterior.

Modurile PCF "i DCF pot coexista în cadrul aceleia"i celule. La prima vedere, pare imposibil! prezen a unei scheme de control centralizate "i a unei scheme distribuite în acela"i timp, dar 802.## ofer! o modalitate de a atinge acest scop. Modul de func ionare este atins prin definirea atent! a intervalului de timp dintre transmisia de cadre. Dup! ce un cadru a fost transmis, un anumit interval de timp este impus sta iei înainte de a putea transmite urm!torul cadru. Sunt definite patru intervale diferite, fiecare pentru scopuri precise. Cele patru intervale sunt prezentate în fig. 4-29.

Fig. 4-29. Spa ierea între cadre în 802.##.

Cel mai scurt interval este SIFS (Short InterFrame Spacing, rom: spa iere redus! între cadre).

Este folosit pentru a permite p!r ilor implicate într-un dialog singular s! transmit! primele. Aceast! solu ie ofer! posibilitatea receptorului s! trimit! un CTS ca r!spuns la un RTS, acord! permisiunea ca un receptor s! trimit! o confirmare pentru un fragment sau pentru un cadru integral "i acord!


permisiunea ca emi !torul unui fragment s! trimit! în rafal! urm!torul fragment f!r! a fi nevoie s! a"tepte din nou un RTS.

Întotdeauna exist! exact o singur! sta ie care are dreptul s! r!spund! dup! un interval SIFS. Da-c! aceasta nu reu"e"te s! profite de aceast! oportunitate "i se scurge un interval de timp PIFS (PCF

InterFram Interval, rom: interval între cadrele PCF), sta ia de baz! poate transmite un cadru baliz! sau un cadru de interogare. Acest lucru permite unei sta ii care transmite un cadru de date sau o secven ! de fragmente s! termine cadrul f!r! s! se interpun! nimeni, dar în acela"i timp d! sta iei de baz! o "ans! s! acapareze canalul atunci când emi !torul anterior a terminat, f!r! s! trebuiasc! s! intre în competi ie cu utilizatorii ner!bd!tori.

Dac! sta ia de baz! nu are nimic de transmis "i se scurge un interval de timp DIFS (DCF

InterFrame Interval, rom: interval între cadrele DCF), orice sta ie poate încerca ob inerea unui ca-nal pentru a transmite un nou cadru. Regulile obi"nuite de competi ie se aplic! "i o reluare dup! un timp binar exponen ial poate fi necesar! în cazul apari iei unei coliziuni.

Ultimul interval de timp, EIFS (Extended InterFrame Spacing, rom: spa iere extins! între ca-dre), este utilizat pentru a raporta eventuale erori de c!tre o sta ie care tocmai a primit un cadru eronat sau necunoscut. Ideea este ca acest eveniment s! aib! cea mai mic! prioritate, pentru c!, din moment ce receptorul s-ar putea s! nu "tie ce se întâmpl!, acesta ar trebui s! a"tepte un interval sub-stan ial de timp pentru a evita interferen a cu un dialog în desf!"urare între dou! sta ii.

4.4.4 Formatul cadrului 802.""

Standardul 802.## define"te trei clase diferite de cadre: de date, de control "i de gestionare. Fie-care dintre acestea are un antet cu o varietate de câmpuri folosite în cadrul subnivelului MAC. În plus, exist! unele antete utilizate de c!tre nivelul fizic, dar acestea sunt de obicei legate de modalit!- ile de modula ie folosite, deci nu le vom discuta aici.

Fig. 4-30. Cadrul de date 802.##.

Formatul cadrului de date este prezentat în fig. 4-30. Primul câmp este acela de control al cadrului.

Acesta are la rândul lui ## subcâmpuri. Primul dintre acestea este versiunea de protocol, care permite celor dou! versiuni ale protocolului s! opereze în acela"i timp în aceia"i celul!. Apoi urmeaz! câmpu-rile pentru tip (de date, de control sau de gestiune) "i subtip (de ex. RTS sau CTS). Bi ii c tre DS "i de la DS indic! direc ia de transport a cadrului – c!tre sistemul de distribu ie sau de la sistemul de distri-bu ie între celule (de ex. Ethernet). Bitul MF semnalizeaz! c! vor urma mai multe fragmente. Bitul reîncercare marcheaz! o retransmisie a unui cadru trimis anterior. Bitul gestiunea consumului este fo-losit de c!tre sta ia de baz! pentru a pune receptorul în stare de a"teptare sau pentru a-l scoate din


starea de a"teptare. Bitul mai mult indic! faptul c! emi !torul mai are cadre adi ionale pentru recep-tor. Bitul W specific! criptarea cadrului folosind algoritmul WEP (Wired Equivalent Privacy, rom. confiden ialitate echivalent! cablat!). În sfâr"it, bitul O indic! receptorului c! o secven ! de cadre cu acest bit setat trebuie prelucrat! strict în ordinea în care cadrele au fost recep ionate.

Cel de-al doilea câmp al cadrului de date, câmpul durat , indic! intervalul de timp în care cadrul "i confirmarea vor ocupa canalul. Acest câmp este de asemenea prezent în cadrele de control "i re-prezint! modalitatea prin care alte sta ii gestioneaz! mecanismul NAV. Antetul cadrului con ine patru adrese, toate în formatul standard IEEE 802. În mod evident, sursa "i destina ia sunt necesare, dar pentru ce sunt necesare celelalte dou!? S! ne aducem aminte: cadrele pot intra sau ie"i dintr-o celul! prin sta ia de baz!. Celelalte dou! adrese sunt folosite pentru sta iile de baz! surs! "i destina- ie în traficul între celule.

Câmpul secven! permite numerotarea fragmentelor. Din cei #6 bi i disponibili, #2 identific! ca-drul "i 4 identific! fragmentul. Câmpul date con ine înc!rc!tura util!, având pân! la 23#2 octe i, fiind urmat de uzuala sum de control.

Cadrele de gestiune au un format similar celor de date, cu excep ia uneia dintre adresele sta iilor de baz!, deoarece cadrele de gestiune sunt restric ionate la o singur! celul!. Cadrele de control sunt "i mai scurte, având numai una sau dou! adrese, neavând câmp de date "i nici câmp secven! . Aici informa ia cheie se afl! în câmpul subtip, de obicei RTS, CTS, sau ACK.

4.4.5 Servicii

Standardul 802.## afirm! c! fiecare re ea local! f!r! fir trebuie s! ofere nou! servicii. Aceste ser-vicii sunt împ!r ite în dou! categorii: cinci servicii legate de distribu ie "i patru servicii pentru sta ii. Serviciile de distribu ie sunt legate de gestiunea apartenen ei la celul! "i de interac iunea cu sta iile din afara celulei. Serviciile de sta ie sunt legate de activitatea în cadrul unei singure celule.

Cele cinci servicii de distribu ie sunt oferite de c!tre sta iile de baz! "i se ocup! de mobilitatea sta iilor pe m!sur! ce acestea intr! "i ies din celule, ata"ându-se "i deta"ându-se de la sta ia de baz!. Ele sunt urm!toarele:

#. Asocierea. Acest serviciu este folosit de c!tre sta iile mobile pentru conectare la sta ia de ba-z!. De obicei, el este utilizat exact dup! ce o sta ie se deplaseaz! în acoperirea radio a sta iei de baz!. La sosire, aceasta î"i anun ! identitatea "i capacit! ile. Capacit! ile includ: vitezele de date suportate, cererile de servicii PCF (de exemplu interogarea) "i necesit! ile de gestio-nare a consumului. Sta ia de baz! poate accepta sau rejecta sta ia mobil!. Dac! sta ia mobil! este acceptat!, atunci aceasta trebuie s! se autentifice.

2. Dezasocierea. Atât sta ia, cât "i sta ia de baz! se pot dezasocia, rupând în acest fel rela ia. O sta ie trebuie s! foloseasc! acest serviciu înainte de a se închide sau de a pleca, iar sta ia de baz! îl poate folosi "i ea – de exemplu înainte de oprirea pentru între inere.

3. Reasocierea. O sta ie î"i poate schimba sta ia de baz! preferat! utilizând acest serviciu. Faci-litatea este util! pentru sta iile mobile care se deplaseaz! dintr-o celul! în alta. Dac! serviciul este folosit corect, nu se vor pierde date la trecere. (Dar 802.##, ca "i Ethernetul, este numai un serviciu f!r! confirmare).

4. Distribu ia. Acest serviciu determin! modul în care sunt rutate cadrele trimise c!tre sta ia de baz!. Dac! destina ia este local! sta iei de baz!, cadrele pot fi trimise direct în aer. În caz contrar, ele vor trebui înaintate prin re eaua cablat!.

SEC. 4.5 RE$ELE F%R% FIR DE BAND% LARG% 27"

5. Integrarea. Dac! un cadru trebuie s! circule printr-o re ea care nu este 802.## "i utilizeaz! o schem! de adresare diferit! "i un format de cadre diferit, acest serviciu efectueaz! translata-rea de la formatul 802.## la formatul re elei destina ie.

Cele patru servicii r!mase sunt servicii în interiorul celulei (adic! sunt legate de ac iuni în interio-rul unei singure celule). Ele sunt folosite dup! ce a avut loc asocierea "i sunt urm!toarele:

#. Autentificarea. Deoarece comunica iile f!r! fir pot fi recep ionate sau emise cu u"urin ! de c!tre sta ii neautorizate, o sta ie trebuie s! se autentifice înainte de a i se permite s! trimit! date. Dup! ce o sta ie mobil! a fost asociat! de c!tre o sta ie de baz! (adic! acceptat! în ca-drul celulei), sta ia de baz! îi va trimite un cadru special de provocare pentru a verifica dac! sta ia mobil! cunoa"te cheia secret! (parola) care i-a fost alocat!. Sta ia va dovedi cunoa"te-rea cheii prin criptarea cadrului provocare cu ea, urmat! de trimiterea acestuia înapoi la sta- ia de baz!. Dac! rezultatul este corect, sta ia mobil! este pe deplin înscris! în celul!. În standardul ini ial, sta ia de baz! nu trebuia s!-"i demonstreze identitatea c!tre sta iile mobi-le, dar lucrul pentru eliminarea acestui defect din standard este în desf!"urare.

2. Deautentificarea. Când o sta ie anterior autentificat! dore"te s! p!r!seasc! re eaua, aceasta este deautentificat!. Dup! deautentificare, sta ia nu va mai putea folosi re eaua.

3. Confiden ialitatea. Pentru ca informa iile transmise printr-o re ea f!r! fir s! r!mân! confi-den iale, acestea trebuie criptate. Acest serviciu gestioneaz! criptarea "i decriptarea. Algo-ritmul de criptare specificat este RC4, inventat de c!tre Ronald Rivest de la M.I.T.

4. Livrarea datelor. În fine, transmisia datelor este subiectul principal, deci în mod evident 802.## ofer! o modalitate de a transmite "i recep iona date. Din moment ce 802.## este mo-delat dup! Ethernet "i transmisia prin Ethernet nu este #00% sigur!, transmisiile prin 802.## nu sunt garantate nici ele s! fie sigure. Nivelurile superioare trebuie detecteze "i s! corecteze erorile.

O celul! 802.## are unii parametrii care pot fi inspecta i "i, în unele cazuri, ajusta i. Ace"tia

sunt lega i de criptare, intervale de expirare, viteze de transfer pentru date, frecven a balizelor "i a"a mai departe.

Re elele locale f!r! fir bazate pe 802.## încep s! fie folosite peste tot în lume în cl!diri de birouri, hoteluri, restaurante "i campusuri. Se preconizeaz! o cre"tere rapid!. Pentru unele date legate de desf!"urarea extins! a 802.## la CMU, vezi (Hills, 200#).

4.5 RE#ELE F$R$ FIR DE BAND$ LARG$

Am stat în cl!diri prea mult. Haide i s! ie"im afar! "i s! vedem dac! exist! re ele interesante aco-lo. Se pare c! se întâmpl! destul de multe pe acolo "i o parte dintre acestea au de-a face cu a"a numi-t! ultim!-por iune (ultima sut! de metri). Odat! cu deregularizarea serviciilor telefonice în multe !ri, competitori ai companiilor telefonice fortificate au din ce în ce mai des permisiunea s! ofere servicii de voce "i de Internet la mare vitez!. Exist! în mod sigur o mare cerere în domeniu. Proble-ma este c! desf!"urarea de fibr!, de cablu coaxial sau chiar de perechi torsadate de categoria 5 este prohibitiv de scump!. Ce poate face atunci un competitor?


R!spunsul este simplu: re ele f!r! fir de band! larg!. Ridicarea unei antene mari pe un deal imediat în afara ora"ului "i instalarea de antene direc ionate c!tre ea pe acoperi"urile clien ilor este mult mai simplu "i mai ieftin decât s!parea de "an uri "i tragerea de cabluri prin acestea. Prin urma-re, companiile de telecomunica ii concurente au un interes important în a oferi servicii de comunica- ie f!r! fir la viteze de mul i megabi i pe secund! pentru voce, Internet, filme la cerere etc. Dup! cum am v!zut în fig. 2-30, LMDS a fost inventat pentru acest scop. Totu"i, pân! de curând, fiecare companie "i-a dezvoltat propriul sistem. Aceast! lips! de standarde a însemnat c! software-ul "i har-dware-ul nu au putut fi produse pe scar! larg!, ceea ce a men inut pre urile la un nivel mare "i ac-ceptabilitatea la un nivel sc!zut.

Mul i oameni din industrie au realizat faptul c! existen a unui standard pentru re ele f!r! fir de band! larg! era elementul cheie care lipsea, a"a c! organiza iei IEEE i s-a cerut s! alc!tuiasc! un comitet format din oameni din companii cheie "i din mediul academic pentru a schi a standardul. Urm!torul num!r disponibil în schema de numerotare 802 era 802."6, deci standardul a primit acest num!r. Lucrul a început în iulie #999, iar standardul final a fost acceptat în aprilie 2002. Oficial, standardul poart! numele “Interfa ! aerian! pentru acces fix la sisteme cu l! ime mare de band! f!r! fir”. Totu"i, unii prefer! s! îl numeasc! wireless MAN (Wireless Metropolitan Area Network, rom. re ea de întindere metropolitan! f!r! fir) sau wireless local loop (rom. bucl! local! f!r! fir). Noi vom privi to i ace"ti termeni ca fiind interschimbabili.

La fel ca "i alte standarde din seria 802, 802.#6 a fost puternic influen at de modelul OSI, inclu-zând (sub)nivelurile, terminologia, primitivele de servicii "i altele. Din p!cate, ca "i standardul OSI, este destul de complicat. În urm!toarele sec iuni vom oferi o descriere sumar! a lui 802.#6, dar tra-tarea de aici este departe de a fi complet! "i las! neacoperite multe detalii. Pentru informa ii adi io-nale despre servicii f!r! fir de band! larg! în general, vezi (Bolcskei et. al, 200#; "i Webb, 200#). Pen-tru informa ii specifice despre 802.#6, vezi (Eklund et al., 2002).

4.5." Compara ie între 802."" %i 802."6

În acest moment probabil c! v! întreba i: De ce s! invent!m un nou standard? De ce nu folosim pur "i simplu 802.##? Exist! câteva motive foarte bune pentru a nu folosi 802.##, în primul rând ace-la c! 802.## "i 802.#6 rezolv! probleme diferite. Înainte de a intra în terminologia lui 802.#6, probabil c! merit! s! spunem câteva cuvinte pentru a explica de ce este nevoie de un nou standard.

Mediile în care opereaz! 802.## "i 802.#6 sunt similare în multe privin e, în primul rând datorit! faptului c! sunt proiectate pentru a oferi comunica ii f!r! fir de mare vitez!. Dar de asemenea difer! din multe puncte de vedere majore. Pentru început, 802.#6 ofer! servicii pentru cl!diri, iar cl!dirile nu sunt mobile. Ele nu migreaz! dintr-o celul! în alta. Mare parte din 802.## trateaz! mobilitatea "i o mare parte dintre aceste aspecte nu sunt relevante aici. Apoi, cl!dirile dispun de mai multe calcu-latoare, o complica ie care nu apare atunci când sta ia final! este un singur calculator portabil. Pen-tru c! proprietarii cl!dirilor sunt de obicei dispu"i s! cheltuiasc! mult mai mul i bani pe echipamente de comunica ii decât proprietarii de calculatoare portabile, vor fi disponibile sta ii radio mai perfor-mante. Aceast! diferen ! înseamn! "i c! 802.#6 poate folosi comunica ii cu duplex integral, lucru evitat de 802.## pentru a men ine pre urile la un nivel sc!zut.

Pentru c! 802.#6 ruleaz! peste o parte dintr-un ora", distan ele implicate pot fi de mai mul i ki-lometri, ceea ce înseamn! c! puterea absorbit! la sta ia de baz! poate varia mult de la o sta ie la alta. Aceast! varia ie afecteaz! raportul semnal-zgomot, care, la rândul lui, dicteaz! mai multe scheme de

SEC. 4.5 RE$ELE F%R% FIR DE BAND% LARG% 273

modulare. În acela"i timp, comunicare deschis! peste un ora" înseamn! c! securitatea "i confiden ia-litatea sunt esen iale "i obligatorii.

Mai mult, este foarte probabil ca fiecare celul! s! aib! mult mai mul i utilizatori decât o celul! ti-pic! 802.## "i este de a"teptat ca ace"ti utilizatori s! consume o l! ime de band! mult mai mare decât utilizatorii tipici ai 802.##. Pân! la urm!, nu se întâmpl! des ca o companie s! invite 50 de angaja i, cu calculatoare portabile, s! se întâlneasc! într-o singur! camer! pentru a vedea dac! se poate satura re eaua 802.## prin vizionarea în paralel pe a 50 de filme diferite. Din acest motiv, este nevoie de un spectru mai larg decât ofer! banda ISM, for ând 802.#6 s! opereze într-o gam! de frecven e mult mai înalte, de #0-66 GHz, singurul loc în care gama de frecven e este înc! disponibil!.

Dar aceste unde milimetrice au propriet! i fizice diferite decât undele mai lungi din ISM, ceea ce duce la necesitatea unui nivel fizic complet diferit. O proprietate a undelor milimetrice este aceea ca sunt puternic absorbite de ap! (în mod special de ploaie, dar pân! la un anumit nivel "i de c!tre nin-soare, grindin! "i, cu pu in ghinion, de cea ! deas!). În consecin !, tratarea erorilor este mult mai important! decât în mediile interioare. Undele milimetrice pot fi focalizate în fascicule direc ionate (802.## este omnidirec ional), deci solu iile alese de 802.## pentru propagarea multic!i sunt contes-tabile aici.

O alt! problem! o constituie calitatea serviciului. De"i 802.## ofer! suport pentru trafic de timp real (folosind modul PFC), acesta nu a fost proiectat pentru telefonie "i nici pentru utilizare multi-media intensiv!. Dimpotriv!, ne a"tept!m ca 802.#6 s! ofere suport complet pentru aceste aplica ii, deoarece este gândit s! fie folosit atât pentru mediul reziden ial, cât "i pentru mediul de afaceri.

Pe scurt, 802.## a fost proiectat pentru a fi un Ethernet mobil, pe când 802.#6 a fost proiectat pentru a fi o televiziune prin cablu, f!r! fir, dar sta ionar!. Aceste diferen e sunt atât de mari, încât standardele rezultate sunt foarte diferite: ele încearc! s! optimizeze lucruri diferite.

O compara ie foarte sumar! cu sistemul de telefonie celular! este de asemenea interesant!. La telefoanele mobile avem de-a face cu sta ii mobile de band! îngust!, orientate pe voce, cu putere sc!zut!, care comunic! folosind unde de lungime medie. Nimeni nu urm!re"te (înc!) filme de 2 ore, la rezolu ie înalt!, pe telefoanele GSM. Chiar "i UMTS are speran e sc!zute în a schimba aceast! situa ie. Pe scurt, lumea re elelor metropolitane f!r! fir este mult mai solicitant! decât lumea simpl! a telefoanelor mobile, deci este necesar un sistem complet diferit. Întrebarea interesant! este dac! 802.#6 poate fi folosit pentru dispozitive mobile în viitor. Nu a fost optimizat pentru aceast! utilizare, dar posibilit! i exist!. Pentru moment, standardul se concentreaz! pe re ele fixe f!r! fir.

4.5.2 Stiva de protocoale 802."6

Stiva de protocoale 802.#6 este prezentat! în fig. 4-3#. Structura general! este similar! cu cea a celorlalte re ele 802, dar are mai multe subniveluri. Subnivelurile inferioare se ocup! de transmisie. Radioul tradi ional de band! îngust! folose"te scheme de modulare conven ionale. Deasupra nivelu-lui de transmisie fizic este un subnivel de convergen ! pentru a ascunde diferitele tehnologii de nive-lul leg!tur! de date. De fapt "i 802.## are ceva asem!n!tor, dar comitetul a decis s! nu-l formalizeze cu un nume asem!n!tor OSI.

Cu toate c! nu le-am prezentat în figur!, dou! noi protocoale de nivel fizic sunt în lucru deja. Standardul 802.#6a va oferi suport pentru OFDM în gama de frecven e 2-## GHz. Standardul 802.#6b va lucra în banda ISM de 5 GHz. Ambele constituie încerc!ri de apropiere de 802.##.


Fig. 4-3". Stiva de protocoale 802.#6.

Nivelul leg!tur! de date este constituit din trei subniveluri. Cel mai de jos se ocup! de confiden-

ialitate "i securitate, aspecte mult mai importante pentru re elele publice de exterior decât în cadrul re elelor private de interior. Acest subnivel gestioneaz! cheile, criptarea "i decriptarea.

Urm!torul este subnivelul comun de acces la mediu. Aici sunt localizate protocoalele principale, cum ar fi cel de gestiune a canalelor. Modelul presupune ca sta ia de baz! s! controleze sistemul. Aceasta poate planifica canalul c!tre abonat (cu baza la abonat) în mod foarte eficient "i joac! de asemenea un rol major în gestionarea canalelor de la abonat (adic! abonat c!tre baz!). O facilitate neobi"nuit! a subnivelului de acces la mediu este aceea c!, spre deosebire de toate celelalte re ele 802, este complet orientat pe conexiune, pentru a putea garanta calitatea serviciilor pentru comuni-ca ii multimedia "i pentru telefonie.

Subnivelul de convergen ! joac! rolul subnivelului de leg!tur! logic! din celelalte protocoale 802. Scopul s!u este interfa area cu nivelul re ea. O complica ie în acest caz este aceea c! 802.#6 a fost proiectat pentru a integra f!r! diferen iere atât protocoale cu datagrame (de ex. PPP, IP "i Ethernet), cât "i ATM. Problema este c! protocoalele cu datagrame sunt f!r! conexiune, pe când ATM-ul este orientat conexiune.

Aceasta înseamn! c! fiecare leg!tur! ATM trebuie s! fie suprapus! peste o leg!tur! 802.#6, în cel mai direct mod posibil. Totu"i, peste care leg!tur! 802.#6 ar trebui suprapus un pachet IP recep- ionat? Aceast! problem! este rezolvat! în cadrul acestui subnivel.

4.5.3 Nivelul fizic 802."6

A"a cum am men ionat "i mai înainte, transmisia f!r! fir de band! larg! are nevoie de un spectru larg "i singura posibilitate de a ob ine acest spectru este în zona #0-66 GHz. Astfel de unde milime-trice prezint! o proprietate interesant!, care nu exist! la undele mai lungi: ele se propag! în linii drepte, diferit fa ! de sunet, îns! foarte asem!n!toare cu lumina. O consecin ! direct! este faptul c! o sta ie de emisie poate avea multiple antene, fiecare îndreptat! spre o zon! diferit! a ariei de aco-perire, a"a cum este prezentat în fig. 4-32. Fiecare sector are proprii utilizatori "i este independent într-o mare m!sur! de zonele adiacente, fapt care nu este prezent "i în cazul sistemelor cu celule radio, unde transmisia este în toate direc iile.


Fig. 4-32. Transmisia la 802.#6.

Cum puterea semnalului este milimetric!, acoperirea scade propor ional cu distan a de la sta ia

de emisie, raportul semnal/zgomot scade de asemenea, propor ional cu aceea"i distan !. Din acest motiv, 802.#6 are trei scheme de modulare diferite, în func ie de cât de departe este sta ia abonat de sta ia de emisie. Pentru abona ii foarte apropia i de sta ia de emisie, este folosit QAM-64, cu 6 bi i/baud. Pentru o distan ! medie, este folosit QAM-#6, cu 4 bi i/baud. QPSK este folosit pentru abona ii afla i la o distan a considerabil! "i suport! 2 bi i/baud. Spre exemplu, pentru un spectru tipic de 25 MHz, QAM-64 ofer! #50 Mbps, QAM-#6 doar #00 Mbps, în timp ce QPSK atinge pân! la 50 Mbps. Cu alte cuvinte, cu cât abonatul se afl! la o distan ! mai mare de sta ia de emisie, cu atât vite-za de transmisie scade (este asem!n!tor cu ceea ce am v!zut la ADSL, fig. 2-27). Diagramele sub form! de constela ie pentru cele trei tipuri de modula ie au fost prezentate în fig. 2-25.

Având ca scop crearea unui sistem de band! larg! în prezen a limit!rilor fizice descrise mai sus, designerii lui 802.#6 au lucrat din greu la folosirea eficient! a spectrului disponibil. Unul din lucrurile pe care nu le-au apreciat a fost modul în care lucreaz! sistemele GSM "i DAMPS. Amândou! utili-zeaz!, pentru traficul de recep ie "i pentru cel de emisie, benzi de frecven ! diferite, egale ca dimen-siune (simetrice). Dac! pentru voce traficul este simetric în cea mai mare parte, pentru accesul la Internet traficul este mult mai puternic la recep ie decât la transmisie. Din aceste considerente, 802.#6 ofer! o modalitate mult mai flexibil! de a aloca banda de transfer. Sunt folosite dou! scheme, FDD (Frequency Division Duplexing, rom: transmisie duplex prin divizarea în frecven !) "i TDD

(Time Division Duplexing – transmisie duplex prin divizarea în timp). A doua schem! este prezenta-t! în fig. 4-33. În acest caz, sta ia de emisie trimite periodic cadre. Fiecare cadru con ine unit! i de timp. Primele sunt folosite la traficul de recep ionare. Urmeaz! o perioad! de timp de gard!, folosit! de sta ii pentru a schimba direc ia de transmisie. În cele din urm! avem intervalul în care se transmit datele locale. Num!rul de cuante de timp alocat fiec!rui tip de transmisie poate fi modificat dinamic astfel încât banda de transfer s! fie folosit! cât mai eficient.


Fig. 4-33. Cadre "i intervale de timp în TDD. Traficul de recep ie este suprapus peste cuantele de timp de c!tre sta ia de emisie. Sta ia de emi-

sie are controlul deplin pentru acest trafic. Traficul de transmisie este mult mai complex "i depinde de calitatea cerut! de serviciul accesat. Vom discuta despre alocarea intervalelor de timp când vom prezenta subnivelul MAC, pu in mai jos.

O alt! caracteristic! interesant! a nivelului fizic este posibilitatea de a împacheta mai multe ca-dre MAC într-o singur! transmisie fizic!. Aceasta cre"te eficien a, prin reducerea num!rului total de preambuluri "i antete folosite.

De notat este "i folosirea codurilor Hamming pentru corec ia în avans la nivelul fizic. Aproape toate celelalte tipuri de re ele se bazeaz! pur "i simplu pe trimiterea unor sume de control pentru detectarea erorilor, iar apoi cer retransmisia dac! unul din cadre a fost recep ionat eronat. În cazul transmisiilor de band! larg! sunt estimate atât de multe erori, încât corectarea erorilor se face chiar la nivelul fizic, pe lâng! sumele de control de la nivelurile superioare. În ansamblu, efectul pe care îl au toate acestea este de a face canalul s! par! mai bun decât este în realitate (în acela"i mod în care CD-ROM-urile par a fi foarte fiabile, "i toate acestea doar pentru c! mai mult de jum!tate din nu-m!rul total de bi i sunt folosi i la corectarea de erori la nivelul fizic).

4.5.4 Protocolul subnivelului MAC la 802."6

Nivelul leg!tur! de date este împ!r it în trei subniveluri, a"a cum am v!zut în fig. 4-3#. Cum nu vom studia criptografia înainte de cap. 8, este mai dificil de explicat acum modul de func ionare a subnivelului de securitate. Este suficient îns! s! afirm!m c! tehnicile de criptare sunt folosite pen-tru a p!stra toate datele transmise secrete. Antetele nu sunt criptate, ci doar informa ia util!. Aceasta însemn! c! cineva poate s! urm!reasc! cine cu cine comunic!, dar nu poate în elege con- inutul mesajelor.

Dac! ave i deja câteva cuno"tin e despre criptografie, urmeaz! un scurt paragraf ce explic! subnivelul de securitate. Dac! nu cunoa"te i nimic despre criptografie, este pu in probabil s! g!si i urm!torul paragraf foarte folositor (îns! îl pute i lua în considerare dup! ce a i parcurs cap. 8).

În momentul în care un abonat se conecteaz! la o sta ie de emisie, el execut! o autentificare mu-tual! folosind RSA cu cheie public! "i certificatele X.509. Datele utile sunt criptate folosind sistemul de chei simetrice, ori DES triplu, ori folosind înl!n uirea de blocuri cu cifru. Algoritmul AES (Rijndael) e posibil s! fie ad!ugat în curând. Verific!rile de integritate sunt f!cute folosind SHA-#. Nu e a"a c! nu a fost chiar atât de greu?

Haide i s! arunc!m o privire peste partea principal! a subnivelului MAC. Cadrele MAC ocup! un num!r întreg de perioade de timp ale nivelului fizic. Fiecare cadru este format din subcadre, dintre care primele dou! reprezint! map!rile pentru traficul de recep ie "i de transmisie. Aceste map!ri re-lev! ce corespunde fiec!rui interval de timp "i ce cuante de timp sunt libere. Maparea pentru recep ie con ine "i un num!r de parametri de sistem, pentru a informa noile sta ii cu care intr! în contact.


Canalul pentru recep ie este destul de simplu, sta ia de emisie decide ce con ine fiecare subcadru. Canalul de transmisie este mai complicat deoarece mai mul i abona i intr! în competi ie pentru acces. Alocarea acestui canal este legat! de problemele de calitate a serviciului. Sunt definite patru clase de servicii:

#. Serviciu cu vitez! constant! de transmisie 2. Serviciu pentru aplica ii de timp real 3. Serviciu pentru aplica ii care nu necesit! timp real 4. Serviciu de tip cea mai bun! încercare (best-effort)

Toate serviciile lui 802.#6 sunt orientate pe conexiune, iar fiecare dintre conexiuni este stabilit! la configurare la unul din tipurile de mai sus. Arhitectura este mult diferit! de 802.## "i Ethernet, care nu prezint! conexiuni la subnivelul MAC.

Serviciul cu vitez! constant! de transmisie este folosit pentru transmisie de voce, necompresat!, la fel ca pe canalele T#. Acest serviciu are nevoie s! trimit! o valoare predeterminat! de date, la un interval de timp stabilit apriori. Fiec!rei conexiuni de acest tip îi este dedicat un num!r de intervale de timp. Odat! banda de transfer alocat!, intervalele de timp sunt puse la dispozi ie automat, f!r! a mai fi nevoie s! fie cerute spre alocare.

Serviciul de aplica ii de timp real este destinat aplica iilor media compresate sau altor aplica ii software de timp real, în care nevoia de band! de transfer poate varia. Intr! în atribu iile sta iei de emisie s! îl întrebe pe abonat, la un interval fixat de timp, de cât! band! de transfer are nevoie.

Serviciul pentru aplica ii ce nu necesit! timp real este utilizat pentru transmisii mari de date, cum ar fi transferurile de fi"iere mari ca dimensiuni. În acest caz, sta ia de emisie interogheaz! abonatul des, îns! nu la intervale fixate de timp. Un abonat care transmite constant date poate cere, prin intermediul cadrelor sale, o interogare din partea sta iei de emisie, pentru a putea trimi-te date suplimentare.

Dac! o sta ie nu r!spunde la o interogare repetat! de k ori într-un anumit interval de timp, sta ia de emisie o va trece pe aceasta într-un grup c!ruia îi transmite unitar "i îi anuleaz! dreptul la o inte-rogare individual!. Când un astfel de grup este interogat, oricare dintre sta ii poate r!spunde, toate intrând în competi ie pentru serviciul cerut. În acest fel, sta iile cu un trafic mic nu consum! inutil interog!rile sta iei de emisie.

În cele din urm!, serviciul f!r! garan ie este valabil pentru toate celelalte cazuri. În acest caz nu exist! interog!ri, iar abona ii trebuie s! intre în competi ie direct! pentru servicii. Cererile de band! de transfer sunt f!cute în acele cuante de timp marcate ca fiind libere în cadrele primite în zona de transmisie pentru conect!ri. Dac! o cerere a fost satisf!cut!, aceasta va fi notat! în cadrul urm!tor, în zona de mapare a recep ion!rilor. Abonatul va trebui s! reîncerce conectarea în caz c! cererea nu a fost satisf!cut!. Pentru a minimaliza coliziunile este folosit algoritmul de regresie exponen ial! de la Ethernet.

Standardul define"te dou! forme de alocare a benzii de transfer: pentru sta ie "i pentru conexiu-ne. În primul caz, spre exemplu, abonatul face cerere de band! de transfer în numele tuturor utiliza-torilor dintr-o cl!dire. Când banda de transfer îi este acordat!, abonatul va acorda o parte din aceas-ta fiec!rui utilizator, în func ie de cererile primite de el apriori. În forma a doua de alocare a benzii de transfer (pentru fiecare conexiune), sta ia de emisie se ocup! de fiecare conexiune în mod direct.


4.5.5 Structura cadrului 802."6

Toate cadrele MAC încep cu un antet generic. Antetul este urmat, op ional, de datele utile "i tot op ional de o sum! de control (CRC), a"a cum este ilustrat în fig. 4-34. Prezen a informa iei utile nu este necesar! în cadrele de control, cum sunt de exemplu cadrele pentru alocarea canalelor. Suma de control este "i ea op ional! datorit! existen ei corec iei de erori la nivelul fizic "i datorit! faptului c! nu se încearc! niciodat! retransmiterea cadrelor de timp real. Dac! nu se folose"te retransmisia, de ce s! ne complic!m cu o sum! de control?

Fig. 4-34. (a)Cadru generic. (b)Cadru de cererea a benzii de transmisie.

Urmeaz! o scurt! descriere asupra câmpurilor din fig. 4-34(a). Bitul EC arat! dac! informa ia util! este sau nu criptat!. Câmpul Tip identific! tipul cadrului "i, în esen !, informeaz! dac! este pre-zent! împachetarea sau fragmentarea. Câmpul CI indic! absen a sau prezen a sumei de control. În câmpul EK se men ioneaz! care dintre cheile de criptare este folosit!. Câmpul Lungime ofer! in-forma ii despre lungimea complet! a cadrului, incluzând "i antetul. Identificatorul de conectare ara-t! c!rei conexiuni apar ine acest cadru. În cele din urm!, câmpul CRC pentru antet reprezint! o sum! de control aplicat! doar antetului, folosind polinomul x8+x2+x+#.

Al doilea tip de antet, cel din fig. 4-34(b), este folosit pentru cererile de band! de transfer. El începe cu primul bit de valoare #, în loc de 0, "i este similar cu cadrul generic, cu excep ia faptului c! al doilea "i al treilea octet formeaz! un num!r de #6 bi i, care precizeaz! m!rimea benzii de transfer necesar!. Cadrele de cerere de band! de transfer nu poart! nici o informa ie util! "i nici un câmp CRC.

Ar mai fi multe de spus despre 802.#6, îns! nu mai este loc pentru aceasta. Prin urmare, pentru mai multe informa ii, v! rug!m s! consulta i standardul.

4.6 BLUETOOTH

În #994, compania L. M. Ericsson a început s! fie interesat! în a conecta telefoanele mobile pe care le producea cu alte dispozitive (de exemplu, PDA) f!r! a folosi cabluri. Împreun! cu alte patru companii (IBM, Intel, Nokia "i Toshiba) a creat un SIG (Special Interest Group, rom: grup special de interes sau consor iu) pentru a dezvolta un standard de comunica ie f!r! fir pentru interconecta-rea dispozitivelor de calcul "i comunicare "i a accesoriilor folosind frecven e radio pe distan e scurte care beneficiaz! de avantajul de a fi o tehnologie ieftin! "i f!r! un consum mare de putere. Proiectul

SEC. 4.6 BLUETOOTH 279

a fost numit Bluetooth dup! numele regelui viking Harald Blaatand (Bluetooth), ce a ”unificat” (cu-cerit) Danemarca "i Norvegia, desigur tot f!r! cabluri.

De"i ideea ini ial! era doar aceea de a sc!pa de cablurile dintre dispozitive, încetul cu încetul standardul s-a dezvoltat "i a intrat în scurt timp în aria re elelor locale f!r! fir. Pe de o parte, aceast! schimbare are avantajul de a face standardul mai util, dar pe de alt! parte se creeaz! o competi ie cu 802.##. Mai mult decât atât, cele dou! sisteme interfereaz! electric între ele. Este bine de men ionat ca Hewlett-Packard a introdus o re ea infraro"u pentru conectarea f!r! fire a perifericelor în urm! cu câ iva ani, dar nu a ajuns foarte departe cu aceasta.

F!r! a fi descurajat de acest fapt, în iulie #999, SIG Bluetooth a publicat specifica ia #.0, având aproximativ #500 de pagini. La scurt timp, grupul de standardizare IEEE a preluat standardul Bluetooth în aria sa de standarde pentru re ele personale f!r! fir "i a început s! îl ajusteze. De"i pare ciudat s! se încerce s! se standardizeze ceva ce a fost deja foarte bine detaliat în specifica ii "i pentru care nu exist! nici o incompatibilitate care s! aib! nevoie de armonizare, istoria arat! c! redactarea unui standard de c!tre o entitate neutr!, a"a cum este IEEE, a dus de cele mai multe ori la promo-varea tehnologiei respective. Pentru a fi mai exac i, trebuie men ionat c! specifica ia Bluetooth este elaborat! pentru întregul sistem, de la nivelul fizic "i pân! la nivelul aplica ie. Comitetul 802.#5 stan-dardizeaz! numai nivelul fizic "i nivelul de leg!tur! de date, restul stivei de protocoale nefiind în afara aten iei sale.

Chiar dac! IEEE a aprobat în 2002 primul standard pentru re ele personale 802.#5.#, SIG Blue-tooth este înc! foarte activ la îmbun!t! irea standardului. În ciuda faptului c! versiunile emise de SIG Bluetooth "i IEEE nu sunt identice, se sper! c! în curând cele dou! vor converge spre un stan-dard comun.

4.6." Arhitectura Bluetooth

Haide i s! începem studiul nostru asupra sistemului Bluetooth cu o scurt! prezentare de ansam-blu asupra a ceea ce con ine "i ce este proiectat s! fac!. Unitatea de baz! a unui sistem Bluetooth este un piconet (pico re ea) format dintr-un nod st!pân (master) "i pân! la 7 noduri sclav (slave), toate într-o regiune cu diametrul maxim de #0 metri. Mai multe piconet-uri pot exista în aceea"i în-c!pere "i chiar pot fi conectate printr-un nod de trecere, a"a cum arat! fig. 4-35. O colec ie interco-nectat! de piconet-uri este denumit! scatternet (re ea dispersat!).

În afara celor "apte noduri sclav active dintr-un piconet, în re ea pot exista pân! la 255 de noduri în modul parcat. Acestea sunt dispozitive pe care st!pânul le-a trecut în modul de consum redus, economisind astfel consumul de putere de la baterii. În modul parcat, un dispozitiv nu poate face altceva decât s! r!spund! la semnalele temporare ale st!pânului sau la cele de activare. De aseme-nea, exist! înc! dou! st!ri intermediare: a"teptare "i „ascultare” (eng. sniff), îns! ele nu vor fi discu-tate în aceast! parte.

Motivul pentru care s-a ales arhitectura stapân/sclav este acela c! designerii au inten ionat s! fa-ciliteze o implementare complet! a cipurilor Bluetooth sub 5$. Consecin a acestei decizii este aceea c! sclavii sunt destul de limita i, "i, în esen !, ei fac doar ceea ce le spune st!pânul s! fac!. Ca princi-piu de baz!, un piconet este un sistem TDM centralizat, în care st!pânul controleaz! ceasul "i de-termin! care dispozitiv prime"te dreptul de a comunica "i pentru ce perioad! de timp. Toate comu-nica iile sunt între st!pân "i sclav; nu pot exista comunica ii directe sclav-sclav.


Fig. 4-35. Doua piconet-uri pot fi conectate s! formeze o re ea dispersat! (scatternet).

4.6.2 Aplica ii Bluetooth

Majoritatea protocoalelor de re ea ofer! doar canale între entit! ile comunicante "i las! designe-rii de aplica ii s! decid! în ce mod vor s! le foloseasc!. Spre exemplu, 802.## nu specific! dac! utili-zatorii ar trebui s! foloseasc! notebook-urile personale pentru a-"i citi emailul, pentru a naviga pe internet, sau orice altceva. Spre deosebire de acestea, specifica ia Bluetooth V#.# define"te #3 aplica- ii specifice care sunt suportate "i ofer! stive diferite de protocoale pentru fiecare dintre ele. Din p!cate, aceast! abordare este destul de complex! "i de aceea în aceast! carte vom încerca s! simplifi-c!m anumite aspecte. Cele #3 aplica ii, denumite profiluri, sunt enumerate în fig. 4-36. Uitându-ne sumar la ele, putem s! determin!m mult mai u"or care sunt inten iile SIG Bluetooth.

Denumire Descriere Acces generic Proceduri pentru între#inerea leg"turii Descoperire de servicii Protocol de descoperire a serviciilor oferite Port serial Înlocuitor pentru cablul de port serial Intershimbare generic" a obiectelor Define!te rela#ia client-server pentru vehicularea de obiecte Acces la re#eaua local" Protocol între un calculator mobil !i o re#ea fix" Re#ea pe linie telefonic" Ofer" posibilitatea ca un notebook s" se apeleze folosind un te-

lefon mobil Fax Permite unui fax mobil s" comunice cu un telefon mobil Telefonie f"r" fir Conecteaz" un set de c"!ti de sta#ia sa local" de emisie Emitator-Receptor portabil (Intercom) Radio-telefon portabil digital C"!ti de telefon cu transmi#"tor Permite transmisii de voce hands-free (f"r" folosirea mâinilor) Trimitere a obiectelor Ofer" o modalitate de schimbare a obiectelor simple Transfer de fi!iere Ofer" o facilitate mai general" de transfer de fi!iere Sincronizare Ofer" posibilitatea unui PDA s" se sincronizeze cu un calculator

Fig. 4-36. Profiluri Bluetooth. Profilul de acces generic nu este o aplica ie în sine, ci este mai degrab! o baz! pe care se pot

construi aplica iile reale. Principala sa atribu ie este s! ofere posibilitatea de a crea "i a men ine

SEC. 4.6 BLUETOOTH 28"

conexiuni (canale) sigure între st!pân "i sclav. De asemenea, profilul de descoperire a serviciilor este relativ generic. El este folosit de dispozitive pentru a descoperi ce servicii sunt oferite de c!tre alte sta ii din re ea. Toate dispozitivele Bluetooth trebuie s! implementeze aceste dou! profiluri. Celelalte r!mân op ionale.

Profilul de port serial este un protocol de transport care este folosit de majoritatea celorlalte pro-filuri. Acesta emuleaz! o linie serial! "i este foarte util în special pentru aplica iile mai vechi care necesit o astfel de facilitate.

Profilul de interschimbare generic! a obiectelor define"te o rela ie client-server pentru transmisia de date. Clien ii ini iaz! opera ii, îns! un sclav poate fi sau client sau server. Ca "i profilul de port serial, este un punct de pornire pentru celelalte profiluri.

Urm!torul grup de trei profiluri este pentru lucrul în re ea. Profilul de acces la re eaua local! permite unui dispozitiv Bluetooth s! se conecteze la o re ea specificat!. Acest profil este un competi-tor direct cu 802.##. Profilul de dial-up de re ea a fost motiva ia ini ial! a întregului proiect. El per-mite ca un notebook s! se conecteze f!r! fire la un telefon mobil ce con ine un modem intern. Profi-lul de fax este similar cu cel de dial-up de re ea, cu diferen a c! permite ca un fax neconectat la re- eaua de telefonie s! trimit! "i s! primeasc! faxuri folosind telefoane mobile, f!r! existen a unui fir între cele dou!.

Urm!toarele trei profiluri sunt pentru telefonie. Profilul de telefonie f!r! fir ofer! o modalitate de a conecta un set de c!"ti f!r! fir la sta ia de telefon. Momentan, majoritatea telefoanelor f!r! fir nu pot fi folosite "i ca telefoane mobile, dar în viitor, este posibil ca telefoanele mobile "i cele f!r! fir s! devin! unul "i acela"i lucru. Profilul Emi !tor-Receptor portabil (intercom) permite ca dou! tele-foane s! fie interconectate ca radiotelefoane portabile (walkie-talkie). În sfâr"it, profilul pentru c!"ti ofer! comunica ii de voce între c!"ti cu transmi !tor "i sta ia de baz! a telefonului, spre exemplu, pentru comunica ii f!r! interven ie manual! (hands-free) în timpul condusului ma"inii.

Ultimele trei profiluri sunt folosite pentru schimburi de obiecte între dou! dispozitive f!r! fir. Acestea ar putea fi c!r i de vizit!, poze sau fi"iere cu date. În particular, profilul de sincronizare este adresat înc!rc!rii de date pe un PDA sau notebook când p!r!se"te locuin a "i colectarea de date de la acesta la revenire.

Era oare cu adev!rat necesar s! fie men ionate toate aceste aplica ii în detaliu "i s! fie create di-ferite stive de protocoale pentru fiecare dintre ele? Poate c! nu era necesar, îns! au existat diferite grupuri de lucru care au divizat standardul în p!r i mai mici "i fiecare dintre ele "i-a concentrat efor-turile spre rezolvarea unei probleme specifice "i a creat propriul profil. Gândi i-v! la aceasta ca la o aplica ie pentru legea lui Conway (în aprilie #968, în revista Datamation, Melvin Conway observa c! atunci când propui la n persoane s! scrie un compilator, prime"ti ca solu ie un compilator cu n-treceri de compilare, sau "i mai general, structura software oglinde"te structura grupului care l-a produs). Era deci posibil s! fie finalizate doar dou! stive de protocoale în loc de treisprezece, unul pentru transferul de fi"iere "i unul pentru fluidizarea comunica iilor real-time.

4.6.3 Stiva de protocoale Bluetooth

Standardul Bluetooth con ine mai multe protocoale grupate în niveluri. Structura nivelurilor nu respect! modelul OSI, modelul TCP/IP, modelul 802 sau oricare alt model existent. Totu"i, IEEE lucreaz! la modificarea acestuia astfel încât s! urmeze cât mai bine tiparul 802. Arhitectura de baz! a protocolului Bluetooth, a"a cum a fost modificat! de comitetul 802, este prezentat! în fig. 4-37.


Fig. 4-37. Versiunea 802. 5 a arhitecturii protocolului Bluetooth.

Nivelul de baz! este reprezentat de nivelul fizic radio, care corespunde destul de bine nivelului fi-zic din modelele OSI "i 802. El se ocup! cu transmisia radio "i modularea semnalului. Aten#ia, în cadrul acestui nivel, s-a focalizat pe modelarea unui sistem ieftin astfel încât acesta s! devin! rapid un produs de larg consum. Nivelul band! de baz! este întrucâtva analog cu subnivelul MAC, îns! include elemente de nivel fizic. El se ocup! de modul în care st!pânul controleaz! unit!#ile de timp "i cum acestea sunt grupate în cadre.

Apoi urmeaz! un nivel cuprinzând un grup de protocoale relativ asem!n!toare. Gestionarul leg!-turii se ocup! cu stabilirea de canale logice între dispozitive, incluzând consumul de putere, autentifi-carea "i calitatea serviciilor. Protocol adaptiv pentru controlul leg!turii logice (adesea numit L2CAP – Logical Link Control Adaptation Protocol, rom: protocol de adaptare a controlului leg!turii logice) ofer! o interfa#! nivelurilor superioare prin ascunderea detaliilor de transmisie. El este analog cu subnivelul LLC din standardul 802, îns!, din punct de vedere tehnic, este diferit de acesta. A"a cum sugereaz! "i numele, protocolul de control "i cel audio se ocup! de control "i respectiv, de partea au-dio. Aplica#iile pot apela direct la acesta f!r! a avea nevoie de intermedierea protocolului L2CAP.

Nivelul urm!tor este nivelul de mijloc "i acesta con#ine o îmbinare de protocoale diferite. Nive-lul LLC 802 a fost inserat aici de c!tre IEEE pentru compatibilitatea sa cu celelalte re#elele 802. Protocoalele RFcomm, de telefonie "i serviciul de descoperire sunt native. RFcomm (Radio Frequency communication, rom: comunicare pe frecven#e radio) este protocolul care emuleaz! portul serial standard pe care îl g!sim la orice PC obi"nuit, pentru interconectarea de tastatur!, mouse "i modem, precum "i pentru alte dispozitive. El a fost dezvoltat pentru a permite dispozitive-lor perimate s! îl foloseasc! în continuare cu u"urin#!. Protocolul de telefonie este un protocol de timp real folosit pentru profilurile orientate pe 3 leg!turi. El se ocup! "i de stabilirea "i de termina-rea conexiunii. În cele din urm!, protocolul de descoperire a serviciilor este folosit pentru g!sirea serviciilor din re#ea.

Nivelul cel mai înalt este cel în care sunt localizate aplica#iile "i profilurile. Ele se folosesc de pro-tocoalele din nivelurile inferioare pentru a î"i realiza sarcinile. Fiecare aplica#ie are un subset propriu dintre aceste protocoale. Dispozitivele specifice, cum sunt c!"tile, con#in exclusiv acele protocoale necesare aplica#iei. În sec#iunile urm!toare vom studia cele mai de jos trei niveluri din stiva de pro-tocoale Bluetooth, deoarece acestea corespund în oarecare m!sur! cu subnivelurile fizic "i MAC.

4.6.4 Nivelul Bluetooth radio

Nivelul radio transmite bi#ii de la st!pân la sclav sau vice-versa. Este un sistem de putere mic! cu o raz! de acoperire de 0 metri, în banda de 2.4 GHz ISM. Banda este divizat! în 79 de canale de

SEC. 4.6 BLUETOOTH 283

MHz fiecare. Modularea se face prin deplasarea în frecven#! a cheilor, cu un bit pe Hz, realizând în total o rat! de transfer de date de Mbps, îns! o mare parte din aceasta este consumat! de supraîn-c!rcare. Pentru a aloca rezonabil canalele, se folose"te metoda FHSS (salturi de frecven#! într-un spectru larg) cu 600 salturi/sec "i cu intervalul de timp de 62 s. Toate nodurile dintr-un piconet ruleaz! simultan, st!pânul dictând secven#a de rulare.

Deoarece "i 802. "i Bluetooth opereaz! în banda ISM de 2.4 GHz, pe acelea"i 79 de canale, ele interfereaz! unul cu celalalt. Întrucât rata de e"antionare a timpului Bluetooth este mult mai mare decât la 802. , este mult mai probabil ca un dispozitiv Bluetooth s! întrerup! transmisia unui 802. decât invers. Dat fiind faptul c! 802. "i 802. 5 sunt amândou! standarde IEEE, organiza#ia caut! o solu#ie la aceast! problem!, dar nu este deloc simplu "tiind c! ambele sisteme folosesc banda ISM din acela"i motiv: aceasta nu are nevoie de o licen#! de utilizare. Standardul 802. a folose"te cealal-t! lungime de band! ISM (5 GHz), îns! are o raz! mult mai scurt! decât cea a lui 802. b (datorit! fenomenelor fizice legate de undele radio), a"adar folosirea 802. a nu este o solu#ie foarte bun! în toate cazurile. Câteva companii au rezolvat problema dând vina pe Bluetooth. O solu#ie de marke-ting ar fi ca re#eaua cu mai mult! putere (politic! "i economic!, nu electric!) s! cear! p!r#ii mai slabe s! î"i modifice standardul, pentru a nu mai interfera cu ea. Câteva idei în leg!tur! cu aceast! pro-blem! sunt oferite în (Lansford et. co., 200 ).

4.6.5 Nivelul band de baz Bluetooth

Nivelul band! de baz! este cea mai apropiat! leg!tur! pe care Bluetooth o are cu subnivelul MAC. Acesta transform! o secven#a de bi#i într-un cadru "i define"te câteva formate de baz!. În forma cea mai simpl!, st!pânul din fiecare piconet define"te o serie de cuante de timp de 625 s; transmisia st!pânului se desf!"oar! în cuantele de timp pare, iar transmisia sclavilor în intervalele de timp impare. Aceasta este metoda tradi#ional! de diviziune multiplexat! a timpului, cu st!pânul pre-luând jum!tate din perioadele de timp "i sclavii împ!r#ind cealalt! jum!tate. Cadrele pot ocupa , 3 sau 5 cuante de timp.

În schema de alimentare sunt preconizate 250-260 s pentru fiecare salt, pentru a putea permite stabilizarea circuitelor radio. Set!ri mai rapide decât atât sunt posibile numai la un cost mai ridicat. Pentru un singur cadru, dup! calibrare, 366 din cei 625 de bi#i sunt pierdu#i. Din ace"tia, 26 sunt folo-si#i la codul de acces "i la antet, l!sând ceilal#i 240 de bi#i pentru date. Când cadrele ocup! cinci cuante de timp, este necesar! o singur! perioad! de stabilizare a circuitelor, a"a c! din 5 x 625 = 3 25 de bi#i în cinci intervale de timp, 278 sunt disponibili pentru nivelul band! de baz!. În concluzie, cadrele mai lungi sunt mult mai eficiente decât cele scurte, formate pe o singur! cuant! de timp.

Fiecare cadru este transmis pe un canal logic, numit leg tur (link), între st!pân "i sclav. Exist! dou! tipuri de leg!turi. Primul tip este denumit leg!tur! ACL (Asynchronous Connection-Less, rom: Asincron f!r! conexiune) "i este utilizat pentru comutarea de pachete de date ce sunt disponibile la intervale neregulate de timp. Aceste date sunt primite de la nivelul L2CAP la transmi#!tor "i sunt emise c!tre nivelul L2CAP de la receptor. Traficul ACL este realizat în metoda „cea mai bun! în-cercare” (best-effort). Nu sunt oferite nici un fel de garan#ii. Cadrele pot fi pierdute "i atunci este necesar! retransmiterea lor. Un sclav poate avea cel mult o leg!tur! ACL la st!pânul s!u.

Cel!lalt tip este denumit leg!tur! SCO (Synchronous Connection Oriented, rom: sincron orien-tat pe conexiune), fiind folosit pentru date reale, cum sunt transmisiile telefonice. Acestui tip de ca-nal îi este alocat un num!r fix de cuante de transmisie în fiecare direc#ie. Datorit! naturii critice a leg!turilor SCO, cadrele trimise pe aceste leg!turi nu sunt niciodat! retransmise. În schimb, pot fi


folosite mecanisme de corec#ie în avans a erorilor pentru a avea un grad mai mare de încredere. Un sclav poate avea pân! la trei leg!turi SCO c!tre st!pânul s!u. Fiecare leg!tur! SCO poate transmite 64.000 bps PCM pe canal audio.

4.6.6 Nivelul L2CAP Bluetooth

Nivelul L2CAP are trei func#ii majore. Prima func#ie este aceea de a accepta pachete pân! la 64 KB de la nivelurile superioare "i de a le sparge în cadre pentru transmisie. La sfâr"it, cadrele sunt reasamblate în pachete.

A doua func#ie este de a multiplexa "i demultiplexa pachete provenite de la diverse surse. Când un pachet a fost reasamblat, nivelul L2CAP determin! c!rui protocol superior îi este adresat, spre exemplu RFcomm sau telefonic.

A treia func#ie este aceea de a garanta calitatea serviciilor cerute, atât în timpul realiz!rii conexi-unii cât "i în timpul opera#iilor obi"nuite. De asemenea, la configurare este negociat "i maximul de informa#ie util! permis!, pentru a preveni situa#ia în care un dispozitiv ce genereaz! pachete mari suprasolicit! un dispozitiv care folose"te pachete mai mici. Aceast! func#ie este necesar! deoarece nu toate dispozitivele pot utiliza pachete de 64 KB.

4.6.7 Structura cadrului Bluetooth

Exist! mai multe tipuri de cadre, cel mai important este reprezentat în fig. 4-38. El începe cu un cod de acces care identific! de obicei st!pânul; astfel, dac! un sclav se afl! în raza radio a doi st!pâni, va putea s! "tie c!rui st!pân se adreseaz!. Urm!torul câmp este un antet de 54 de bi#i, incluzând câmpurile tipice ale subnivelului MAC. Apoi urmeaz! câmpul de date, de maxim 2744 de bi#i (pen-tru o transmisie de 5 intervale de timp). Pentru o singur! unitate de timp formatul este acela"i, cu excep#ia faptului c! avem un câmp de date de 240 de bi#i.

Fig. 4-38. Cadru de date Bluetooth tipic. S! arunc!m acum o scurt! privire peste antet. Dintre cele opt dispozitive active, câmpul adres! îl

identific! pe acela pentru care este destinat cadrul. Câmpul tip identific! tipul cadrului (ACL, SCO, interogare sau vid), tipul de corec#ie a erorii ce va fi folosit în câmpul de date "i lungimea cadrului. Bitul de rev!rsare (flow) este folosit de c!tre un sclav când memoria sa tampon este plin! "i, prin urmare, nu mai poate primi date. Bitul de confirmare pozitiv! este folosit pentru a valida un cadru recep#ionat corect. Bitul de secven#! este folosit pentru a numerota cadrele "i este utilizat la retran-smisii. Protocolul este de tipul pas-cu-pas, a"a c! un singur bit este suficient. Apoi urmeaz! un câmp

SEC. 4.7. COMUTAREA LA NIVELUL LEG$TURII DE DATE 285

de sum! de control de 8 bi#i. Tot antetul de 8 bi#i este repetat de trei ori pentru a forma antetul de 54 de bi#i din fig. 4-38. La receptor, un circuit simplu examineaz! cele trei copii ale fiec!rui bit. Dac! toate sunt identice, bitul este acceptat. Dac! nu sunt identice, majoritatea va decide. A"adar 54 de bi#i din totalul de bi#i transmisibili sunt folosi#i pentru a propaga antetul de 0 bi#i. Pentru c! se do-re"te ob#inerea unei transmisii de date de încredere într-un mediu plin de interferen#e, utilizând un dispozitiv ieftin, cu consum sc!zut (2.5 mW) "i cu capacitate redus! de calcul, se impune un nivel mare de redundan#! în date.

Pentru câmpul de date din cadrele ACL sunt folosite mai multe forme. Totu"i cadrele SCO sunt foarte simple: câmpul de date este mereu de 240 de bi#i. Trei variante sunt definite permi#ând o in-forma#ie util! de 80, 60 "i 240 de bi#i, restul fiind utilizat pentru corec#ia de erori. În varianta cea mai de încredere (80 bi#i de informa#ie util!), con#inutul este repetat de trei ori, la fel ca "i antetul.

Deoarece un sclav nu poate folosi decât cuantele de timp impare, el prime"te 800 intervale de timp/sec, la fel ca "i st!pânul. Cu o informa#ie util! de 80 de bi#i, capacitatea canalului de la sclav este 64000 bps, iar capacitatea canalului de la st!pân este tot de 64000 bps, suficient pentru un singur canal de voce PCM duplex-integral (acesta este motivul pentru care a fost aleas! o rat! a salturilor de 600 salturi/sec). Aceste date arat! c! un canal duplex-integral de voce cu 64.000 bps în ambele direc#ii, folosind cel mai de încredere format satureaz! complet un piconet, în ciuda unei benzi de transfer de Mbps. Pentru varianta cu o încredere foarte mic! (240 bi#i/interval de timp, f!r! redun-dan#! la acest nivel), trei canale duplex-integral sunt suportate simultan, acesta fiind motivul pentru care un num!r maxim de trei leg!turi SCO sunt permise la un sclav.

Sunt multe lucruri de ad!ugat despre Bluetooth, îns! din p!cate nu avem un spa#iu suficient aici. Pentru informa#ii suplimentare, v! recomand!m (Bhagwat, 200 ; Bisdikian, 200 ; Bray "i Sturman, 2002; Haartsen, 2000; Johansson "i colab, 200 ; Miller "i Bisdikian, 200 ; Sairam "i colab., 2002).

4.7. COMUTAREA LA NIVELUL LEG!TURII DE DATE

Multe organiza#ii au mai multe LAN-uri "i doresc s! le conecteze. LAN-urile pot fi conectate prin dispozitive numite pun"i (bridges), care opereaz! la nivelul leg!turii de date. Pun#ile examinea-z! adresele de la nivelul leg!turii de date pentru a face rutarea. Întrucât ele nu trebuie sa examineze câmpurile cu informa#ie util! ale cadrelor pe care le ruteaz!, ele pot transporta pachete IPv4 (utiliza-te acum în Internet), IPv6 (vor fi utilizate în Internet în viitor), AppleTalk, ATM, OSI, sau orice alt fel de pachete. Spre deosebire de pun#i, ruterele examineaz! adresele din pachete "i fac rutarea pe baza acestora. De"i aceasta pare o departajare clar! între pun#i "i rutere, câteva îmbun!t!#iri de ul-tim! ora, precum apari#ia Ethernetului comutat, au complicat "i mai mult lucrurile, cum vom vedea mai târziu. În capitolele care urmeaz! ne vom ocupa de pun#i "i comutatoare, în special pentru co-nectarea diferitelor LAN-uri 802. Pentru o tratare cuprinz!toare a pun#ilor, comutatoarelor "i a altor subiecte înrudite, vezi (Perlman, 992).

Înainte de a intra în tehnologia pun#ilor, merit! s! arunc!m o privire asupra câtorva situa#ii obi"-nuite în care acestea sunt folosite. Vom men#iona "ase motive pentru care o singur! organiza#ie poa-te ajunge s! aib! LAN-uri multiple. În primul rând, multe universit!#i "i departamente ale unor cor-pora#ii au propriile lor LAN-uri, în principal pentru a-"i conecta calculatoarele personale, sta#iile de lucru "i serverele. Deoarece scopurile departamentelor difer!, departamente diferite vor alege


LAN-uri diferite, separat de ceea fac alte departamente. Mai devreme sau mai târziu, este nevoie de interac#iune, deci este nevoie de pun#i. În acest exemplu, LAN-urile multiple au ap!rut datorit! au-tonomiei proprietarilor lor.

În al doilea rând, organiza#ia poate fi r!spândit! geografic în mai multe cl!diri separate aflate la distan#e considerabile. Poate fi mai ieftin! solu#ia cu LAN-uri separate în fiecare cl!dire, conec-tate prin pun#i "i leg!turi în infraro"u, decât solu#ia cu întinderea unui singur cablu coaxial pe în-treaga suprafa#!.

Fig. 4-39. LAN-uri multiple conectate printr-o coloan! vertebral! pentru a trata

un trafic total mai mare decât capacitatea unui singur LAN. În al treilea rând, pentru a face fa#! traficului, poate fi necesar! spargerea unei entita#i care din

punct de vedere logic constituie un singur LAN în LAN-uri separate. La multe universit!#i, de exemplu, mii de sta#ii de lucru sunt disponibile pentru profesori "i studen#i. Fi"ierele sunt #inute de obicei pe servere "i sunt înc!rcate pe ma"inile utilizatorilor la cerere. Dimensiunea mare a acestui sistem împiedic! punerea tuturor sta#iilor de lucru pe un singur LAN - l!rgimea de band! total! ne-cesar! este mult prea mare. În schimb sunt folosite LAN-uri multiple conectate prin pun#i, dup! cum este ar!tat în fig. 4-39. Fiecare LAN con#ine un grup de sta#ii de lucru cu propriul s!u server de fi"iere, astfel încât cea mai mare parte a traficului este limitat! la un singur LAN "i astfel nu se încar-c! suplimentar coloana vertebral!.

Merit! amintit faptul c! de"i figur!m LAN-urile ca având acces la un acela"i mediu de comunica-#ie ca în fig. 4-39 (abordarea clasic!), ele sunt cel mai frecvent implementate cu noduri sau, în zilele noastre, mai ales cu comutatoare. Oricum, un mediu de transmisie comun cu numeroase ma"ini conectate la el "i un nod care conecteaz! ma"ini sunt identice din punct de vedere func#ional. În am-bele cazuri, toate ma"inile apar#in aceluia"i domeniu de coliziuni "i toate utilizeaz! protocolul CSMA/CD pentru a trimite cadre. Cum am v!zut "i mai înainte "i cum vom vedea din nou în curând, LAN-urile comutate sunt diferite.

În al patrulea rând, exist! anumite situa#ii în care un singur LAN ar fi potrivit în ceea ce prive"te traficul, dar distan#a fizic! între cele mai îndep!rtate calculatoare este prea mare (de exemplu, mai mult de 2.5 km pentru Ethernet). Chiar dac! este u"or de întins cablul, re#eaua nu ar func#iona din cauza întârzierilor excesiv de mari pentru propagarea dus/întors a semnalelor. Singura solu#ie este


parti#ionarea LAN-ului "i instalarea de pun#i între segmente. Folosind pun#ile, poate fi m!rit! dis-tan#a fizic! total! acoperit!.

În al cincilea rând, trebuie considerat! problema siguran#ei. Pe un singur LAN, un nod defect, care trimite tot timpul un "ir continuu de date alterate, va compromite LAN-ul. Pun#ile pot fi insera-te în puncte critice pentru a preveni ca un singur nod care func#ioneaz! defectuos s! afecteze între-gul sistem. Spre deosebire de un repetor, care doar copiaz! ceea ce vede, o punte poate fi programa-t! s! exercite un anumit control privind ceea ce trimite mai departe "i ceea ce nu trimite.

În al "aselea ("i ultimul) rând, pun#ile pot contribui la securitatea organiza#iei. Cele mai multe in-terfe#e LAN au un mod transparent de lucru (promiscuous mode), în care toate cadrele sunt transfe-rate calculatorului, nu numai cele care sunt adresate acestuia. Spionilor "i b!g!re#ilor le place acest lucru. Prin inserarea pun#ilor în diferite locuri "i prin grija de a nu transmite traficul de date sensibile, este posibil! izolarea unor p!r#i din re#ea, astfel încât datele s! nu ajung! în mâinile cui nu trebuie.

Ideal ar fi ca pun#ile s! fie perfect transparente, aceasta însemnând c! ar fi posibil! mutarea unei ma"ini de pe un segment de cablu pe un altul f!r! a schimba nimic în hardware, în software, sau în tabelele de configurare. De asemenea, ar trebui s! fie posibil ca o ma"ina de pe oricare segment s! comunice cu ma"ini în oricare alt segment f!r! a #ine seam! de tipul LAN-urilor folosite în cele dou! segmente sau în segmentele dintre ele. Acest #el este uneori atins, dar nu totdeauna.

4.7.# Pun"i de la 802.x la 802.y

Dup! ce am v!zut de ce sunt necesare pun#ile, s! ne întoarcem la felul în care func#ioneaz! acestea. Fig. 4-40 ilustreaz! func#ionarea unei pun#i simple, dublu-port. Gazda A intr-un LAN f!r! fir (802. ) are un pachet de trimis c!tre gazda fix! B într-un Ethernet (802.3) la care LAN-ul f!r! fir este conectat. Acest pachet coboar! la subnivelul LLC "i dobânde"te un antet LLC (figurat cu negru). Apoi trece la subnivelul MAC "i îi este ata"at un antet 802. (ca de altfel "i o încheiere, care nu este figurat!). Aceast! structur! este transmis! apoi prin aer "i ajunge în cele din urm! la sta#ia de la baz!; aceasta observ! c! trebuie s! trimit! structura într-un LAN Ethernet. Apoi ajunge la puntea care conecteaz! re#eaua 802. de re#eaua 802.3 la nivelul fizic "i î"i continu! drumul spre nivelurile superioare.

Fig. 4-40. Func#ionarea unei pun#i de LAN de la 802. la 802.3.


În subnivelul MAC din punte, antetul 802. este îndep!rtat. Pachetul simplu (cu antetul LLC) este predat subnivelului LLC din punte. În acest exemplu, pachetul este destinat unei subre#ele 802.3 conectat! la punte, astfel încât î"i face drum pe partea 802.3 a pun#ii "i pleac! mai departe în Ethernet. De notat c! o punte conectând k LAN-uri diferite va avea k subniveluri MAC diferite "i k niveluri fizice diferite, câte unul pentru fiecare tip.

Pân! acum, din câte am v!zut, transmiterea unui pachet de la un LAN la altul pare simpl!, însa nu este cazul. În aceast! sec#iune vom scoate în eviden#! câteva din dificult!#ile întâlnite atunci când se încearc! construirea unei pun#i între LAN-uri 802 diferite ("i MAN-uri). Ne vom concentra aten-#ia asupra 802.3, 802. "i 802. 6, dar mai sunt "i altele cu seturile lor unice de probleme.

Pentru început, fiecare dintre LAN-uri folose"te un format de cadru diferit (vezi fig. 4-4 ). Fa#! de diferen#ele dintre Ethernet, token bus "i token ring, care ap!reau datorita egourilor marilor cor-pora#ii "i din cauza motivelor istorice, în acest caz, diferen#ele sunt bine argumentate. De exemplu, câmpul Durat! la 802. este acolo datorit! protocolului MACAW "i nu are nici un sens în Ethernet. Prin urmare, orice transfer între LAN-uri diferite cere reformatare, ceea ce consum! timp de procesor, necesit! o nou! calculare a sumei de control "i introduce posibilitatea erorilor nedetec-tate datorat! bi#ilor erona#i în memoria pun#ii.

O a dou! problem! este c! LAN-urile interconectate nu func#ioneaz! neap!rat la aceea"i rat! de transfer. Atunci când se transmite un "ir lung de cadre concatenate de la un LAN rapid la unul mai lent, puntea nu va putea transmite cadrele în ritmul în care sosesc. De exemplu, dac! un gigabit Ethernet vars! bi#i într-un -Mb 802. b LAN la vitez! maxim!, puntea va trebui s! memoreze traficul, în speran#a ca va avea memorie suficienta. Pun#ile care conecteaz! trei sau mai multe LAN-uri au o problem! similar! în cazul în care mai multe LAN-uri încearc! s! alimenteze acela"i LAN de ie"ire în acela"i moment chiar dac! toate LAN-urile au aceea"i vitez!.

Fig. 4-4#. Formatele cadrelor IEEE 802. Desenul nu este la scar!.

O a treia, "i poten#ial cea mai serioas! problem! dintre toate, este c! diferite LAN-uri 802 au o lun-gime maxim! de cadru diferit!. O problem! evident! apare atunci când un cadru lung trebuie transmis unui LAN care nu îl poate accepta. La acest nivel, împ!r#irea cadrului iese din discu#ie. Toate protocoa-lele presupun recep#ionarea total! sau deloc a cadrelor. Nu exist! posibilitatea de reasamblare a cadre-lor din unit!#i mai mici. Aceasta nu înseamn! c! asemenea protocoale nu ar putea fi inventate. Ele pot fi "i au fost. Doar c! nici un protocol leg!tur! de date nu are aceast! caracteristic!, a"a c! pun#ile nu trebu-ie s! se ating! de informa#ia util! din cadru. Fundamental, nu exist! nici o solu#ie. Cadrele care sunt prea lungi pentru a fi transmise trebuie eliminate. Cam atât în ceea ce prive"te transparen#a.

Un alt punct este securitatea. 802. "i 802. 6 suport! criptarea la nivelul leg!turii de date. Ethernet nu suport!. Aceasta înseamn! c! diversele servicii de criptare disponibile la re#elele f!r! fir sunt pierdute când traficul trece printr-o re#ea Ethernet. Înc! "i mai r!u, dac! o sta#ie f!r! fir utili-


zeaz! criptare la nivelul leg!turii de date, nu exist! nici o modalitate de a decripta datele când ajung în Ethernet. Dac! o sta#ie f!r! fir nu utilizeaz! criptarea, traficul acesteia este expus de-a lungul leg!-turii prin aer. În ambele situa#ii exist! o problem!.

O solu#ie la problema securit!#ii ar fi criptarea la un nivel superior, dar în acest fel o sta#ie 802. trebuie s! afle dac! vorbe"te cu o alt! sta#ie într-o re#ea 802. (însemnând c! folose"te criptare la nivelul leg!turii de date) sau nu (însemnând c! nu folose"te). For#area unei sta#ii s! fac! o alegere distruge transparen#a.

Punctul final este calitatea serviciilor. Atât 802. cât "i 802. 6 o ofer! în forme diverse, primul folosind modul PCF "i ultimul folosind conexiuni cu rat! de transfer constant!. Ethernet-ul nu ofer! nimic în acest sens, a"a c! traficul de la oricare dintre ceilal#i va pierde din calitate atunci când trece printr-o re#ea Ethernet.

4.7.2 Interconectarea local a re"elelor

Capitolul anterior s-a ocupat de problemele întâmpinate la conectarea printr-o singur! punte a dou! LAN-uri IEEE 802 diferite. Oricum, în organiza#iile mari cu multe LAN-uri, numai simpla interconectare a acestora ridic! mai multe probleme, chiar "i dac! toate LAN-urile sunt Ethernet. Ideal, ar trebui s! fie posibil s! te duci "i s! cumperi pun#i proiectate dup! standardul IEEE, s! le conectezi "i totul s! func#ioneze perfect, instantaneu. Nu ar trebui s! fie nevoie de modific!ri de har-dware, de modific!ri de software, de setarea adreselor, de înc!rcarea tabelelor sau parametrilor, de nimic altceva. Se conecteaz! numai cablurile "i func#ioneaz!. Mai mult, func#ionarea LAN-urilor existente nu ar trebui s! fie afectat! în nici un fel de pun#i. Cu alte cuvinte pun#ile ar trebui s! fie complet transparente (invizibile pentru hardware "i software). Destul de surprinz!tor, chiar au reu-"it. Haide#i s! vedem cum se realizeaz! aceast! magie.

O punte transparent! opereaz! în mod transparent (promiscuous mode), acceptând orice cadru transmis pe oricare dintre LAN-urile la care este ata"at!. De exemplu, s! consider!m configura#ia din fig. 4-42. Puntea B este conectat! la LAN-urile "i 2, iar puntea B2 este conectat! la LAN-urile 2, 3 "i 4. Un cadru destinat lui A de la LAN care ajunge la puntea B poate fi eliminat imediat, pentru c! este deja pe LAN-ul care trebuie, dar un cadru care ajunge de la LAN pentru C sau F trebuie transmis.

Fig. 4-42. O configura#ie cu patru LAN-uri "i dou! pun#i.

La sosirea unui cadru, o punte trebuie s! decid! dac! s! îl elimine sau s! îl transmit! mai departe,

iar dac! îl transmite, c!tre ce LAN s! îl trimit!. Aceast! decizie este luat! c!utând adresa destina#iei într-o tabel! de dispersie men#inut! în interiorul pun#ii. Tabelul poate s! includ! fiecare destina#ie posibil! "i c!rei linii de ie"ire (de fapt, c!rui LAN) îi apar#ine. De exemplu, tabelul lui B2 ar include A ca apar#inând lui LAN 2, din moment ce tot ce trebuie s! "tie B2 este c!tre care LAN s! trimit! cadrele destinate lui A. Nu prezint! interes faptul c! ulterior vor avea loc mai multe transmisii.


La prima conectare a pun#ilor, toate tabelele de dispersie sunt vide. Nici una dintre pun#i nu "tie unde se afl! destina#iile, astfel încât toate folosesc algoritmul de inundare: orice cadru care vine pen-tru o destina#ie necunoscut! este trimis c!tre toate LAN-urile la care este conectat! puntea, cu ex-cep#ia celui din care a venit. Cu trecerea timpului, pun#ile afl! unde se g!sesc destina#iile, dup! cum este descris în cele ce urmeaz!. Odat! ce o destina#ie este cunoscut!, cadrele destinate ei sunt puse pe LAN-ul care trebuie, în loc s! fie inundate.

Algoritmul folosit de pun#ile transparente se nume"te înv !are regresiv (backward learning). Du-p! cum a fost men#ionat anterior, pun#ile lucreaz! în mod transparent (promiscuous), astfel încât toate v!d fiecare cadru trimis pe oricare dintre LAN-urile lor. Uitându-se la adresa sursei, ele pot afla care calculator este accesibil pe care LAN. De exemplu, dac! puntea B din fig. 4-38 vede un cadru din LAN 2 venind de la C, "tie c! sta#ia C trebuie s! fie accesibil! prin LAN 2 "i creeaz! o in-trare în tabela de dispersie, în care noteaz! c! pentru cadrele care merg la C ar trebui s! foloseasc! LAN 2. Orice cadru ulterior adresat lui C care vine din LAN va fi transmis mai departe, pe când un cadru pentru C venit din LAN 2 va fi abandonat.

Topologia se poate schimba dup! cum calculatoarele "i pun#ile sunt în func#iune sau nu, sau mu-tate de colo-colo. Pentru a trata topologii dinamice, de câte ori se creeaz! o intrare în tabela de dis-persie, în ea este notat timpul de sosire a cadrului. De câte ori sose"te un cadru a c!rui destina#ie se afl! deja în tabel, intrarea sa este adus! la zi cu timpul curent. Astfel, timpul asociat fiec!rei intr!ri arat! ultimul moment în care a fost primit un cadru de la respectivul calculator.

Periodic, un proces din punte scaneaz! tabela de dispersie "i cur!#! toate intr!rile mai vechi de câteva minute. În acest fel, dac! un calculator este scos din LAN-ul s!u, plimbat prin cl!dire "i rein-stalat în alt! parte, în câteva minute va reveni la func#ionarea normal!, f!r! vreo interven#ie manua-l!. Acest algoritm semnific! de asemenea c! dac! un calculator este inactiv pentru câteva minute, orice trafic trimis spre el va trebui inundat, pân! când calculatorul respectiv va trimite un cadru.

Procedura de dirijare pentru un cadru sosit depinde de LAN-ul din care sose"te (LAN-ul surs!) "i de LAN-ul în care se afl! destina#ia sa (LAN-ul destina#ie), dup! cum urmeaz!:

. Dac! LAN-ul surs! este acela"i cu LAN-ul destina#ie, abandoneaz! cadrul. 2. Dac! LAN-ul surs! "i cel destina#ie sunt diferite, transmite cadrul. 3. Dac! LAN-ul destina#ie nu este cunoscut, folose"te inundarea.

Acest algoritm trebuie aplicat pentru fiecare cadru care sose"te. Exist! cipuri VLSI speciale care realizeaz! c!utarea "i actualizarea în tabela de dispersie, doar în câteva microsecunde.

4.7.3 Pun"i cu arbore de acoperire

Pentru a m!ri siguran#a, unele loca#ii folosesc dou! sau mai multe pun#i în paralel între perechi de LAN-uri, a"a cum este ar!tat în fig. 4-43. Totu"i, acest aranjament introduce "i unele probleme suplimentare, întrucât creeaz! bucle în topologie.

Un simplu exemplu al acestor probleme poate fi v!zut în fig. 4-43, observând modul în care este tratat cadrul F cu destina#ie necunoscut!. Fiecare punte, urmând regulile obi"nuite pentru tratarea destina#iilor necunoscute, folose"te inundarea care, în acest exemplu, nu înseamn! decât copierea cadrului pe LAN 2. Pu#in dup! aceea, puntea vede F2, un cadru cu destina#ie necunoscut!, pe care îl copiaz! pe LAN , generând F3 (care nu este ar!tat în figur!). La fel, puntea 2 copiaz! F pe LAN generând F4 (care nu este ar!tat). Acum puntea trimite F4 "i puntea 2 copiaz! F3. Acest ciclu se continu! la nesfâr"it.

SEC. 4.7. COMUTAREA LA NIVELUL LEG$TURII DE DATE 29#

Fig. 4-43. Dou! pun#i transparente paralele.

Solu#ia acestei probleme este ca pun#ile s! comunice unele cu altele "i s! suprapun! peste topologia

actual! un arbore de acoperire care ajunge la fiecare LAN. De fapt, în interesul construirii unei topo-logii fictive f!r! bucle, sunt ignorate câteva conexiuni posibile între LAN-uri. De exemplu, în fig. 4-44(a) apar nou! LAN-uri interconectate prin zece pun#i. Aceast! configura#ie poate fi rezumat! într-un graf cu LAN-urile drept noduri. Un arc leag! oricare dou! LAN-uri care sunt conectate de o punte.

Graful poate fi redus la un arbore de acoperire renun#ând la arcurile figurate ca linii punctate în fig. 4-44(b). Folosind acest arbore de acoperire, exist! un singur drum de la fiecare LAN la fiecare alt LAN. Odat! ce pun#ile s-au în#eles asupra arborelui de acoperire, toat! transmiterea dintre LAN-uri urm!re"te arborele de acoperire. Din moment ce exist! un drum unic de la fiecare surs! la fiecare destina#ie, buclele sunt imposibile.

Pentru a construi arborele de acoperire, pun#ile trebuie s! aleag! mai întâi o punte care va repre-zenta r!d!cina arborelui. Ele fac aceast! alegere prin emiterea de c!tre fiecare punte a num!rului de serie, instalat de fabricant, garantat ca fiind unic în întreaga lume. Puntea cu cel mai mic num!r seri-al devine r!d!cin!. Apoi se construie"te un arbore de drumuri minime de la r!d!cin! la fiecare pun-te "i LAN. Acest arbore este un arbore de acoperire. Dac! o punte sau un LAN cade, trebuie calcu-lat un nou arbore de acoperire.

Fig. 4-44. (a) LAN-uri interconectate. (b) Arbore de acoperire pentru LAN-uri. Liniile punctate nu fac parte din arborele de acoperire.


Rezultatul acestui algoritm este c! se stabile"te un drum unic de la fiecare LAN la r!d!cin!, "i

astfel la fiecare alt LAN. De"i arborele acoper! toate LAN-urile, nu neap!rat toate pun#ile sunt pre-zente în arbore (pentru a evita buclele). Dup! ce a fost stabilit arborele de acoperire, algoritmul con-tinu! s! ruleze pentru a detecta automat schimb!ri în topologie "i a actualiza arborele. Algoritmul distribuit, folosit pentru construirea arborelui de acoperire, a fost inventat de Perlman "i este descris în detaliu în (Perlman, 992). Acesta este standardizat în IEEE 802. D.

4.7.4 Pun"i aflate la distan"

Pun#ile sunt de cele mai multe ori folosite pentru conectarea a dou! (sau mai multe) LAN-uri aflate la distan#! unele de altele. De exemplu, o companie poate avea fabrici în mai multe ora"e, fiecare dintre acestea cu propriul s!u LAN. Ideal ar fi ca toate aceste LAN-uri s! fie interconectate pentru ca sistemul în întregime s! func#ioneze ca un mare LAN.

Acest #el poate fi atins punând câte o punte fiec!rui LAN "i conectând pun#ile în perechi cu linii punct-la-punct (de exemplu linii închiriate de la o companie de telefoane). Un sistem simplu, cu trei LAN-uri, este prezentat în fig. 4-45. Aici se aplic! algoritmul de dirijare obi"nuit. Cel mai simplu este s! se priveasc! cele trei linii punct-la-punct ca LAN-uri f!r! gazde. Adic!, un sistem obi"nuit de "ase LAN-uri interconectate prin patru pun#i. Nimic din ce am studiat pân! acum nu spune c! un LAN trebuie s! aib! gazde.

Pe liniile punct-la-punct pot fi folosite diverse protocoale. O posibilitate este alegerea unui pro-tocol de leg!tur! de date punct-la-punct standard, cum ar fi PPP, punând cadre MAC complete în câmpul de informa#ie util!. Aceast! strategie func#ioneaz! cel mai bine dac! LAN-urile sunt identice "i singura problem! este transmiterea cadrelor la LAN-ul care trebuie. Alt! posibilitate este elimina-rea antetului "i a încheierii cadrelor MAC la puntea surs!, punând ceea ce a mai r!mas în câmpul de informa#ie util! al protocolului punct-la-punct. Un nou antet "i o nou! încheiere MAC pot fi apoi generate la puntea destina#ie. Un dezavantaj al acestei abord!ri este c! suma de control care ajunge la puntea destina#ie nu este cea calculat! de gazda surs!, existând posibilitatea ca erori cauzate de bi#i erona#i în memoria unei pun#i s! nu fie detecta#i.

Fig. 4-45. Pun#i aflate la distan#! folosite pentru a interconecta LAN-uri îndep!rtate.

4.7.5 Repetoare, Noduri, Pun"i, Comutatoare, Rutere $i Por"i

Pân! acum în aceasta carte am v!zut a mul#ime de feluri de a transfera cadre "i pachete de pe un segment de cablu pe altul. Am amintit de repetoare, noduri, pun#i, comutatoare, rutere "i por#i. Toa-


te aceste dispozitive sunt utilizate în mod curent, dar ele difer! mai mult sau mai pu#in unul de altul. Deoarece sunt atât de multe, merit! sa le analiz!m împreun! pentru a vedea asem!n!rile "i diferen-#ele dintre ele.

Pentru început, aceste dispozitive opereaz! la niveluri diferite, cum este ilustrat în fig. 4-46(a). Nivelul conteaz! pentru c! diferitele dispozitivele folosesc segmente diverse din informa#ie pentru a decide cum s! comute. Într-un scenariu tipic, utilizatorul creeaz! date pentru a fi trimise c!tre o ma-"ina aflat! la distan#!. Aceste date sunt trimise nivelului transport, unde li se adaug! un antet, de exemplu un antet TCP, "i se transmite rezultatul mai jos c!tre nivelul re#ea. Nivelul re#ea adaug! propriul antet pentru a forma un pachet pentru nivelul re#ea, de exemplu un pachet IP. În fig. 4-46(b) observ!m pachetul IP colorat in gri. Apoi pachetul ajunge la nivelul leg!turii de date, care îi adaug! propriul antet "i suma de control (CRC) "i trimite cadrul rezultat c!tre nivelul fizic pentru transmisie, de exemplu intr-un LAN.

Acum s! ne uit!m la dispozitivele de comutare "i s! vedem leg!tura lor cu pachetele "i cadrele. La cel mai de jos nivel, nivelul fizic, se afl! repetoarele. Acestea sunt dispozitive analogice ce sunt conectate intre dou! segmente de cablu. Un semnal ce apare pe unul din aceste cabluri este amplifi-cat "i trimis pe cel!lalt cablu. Repetoarele nu în#eleg cadrele, pachetele sau antetele. Ele în#eleg doar tensiuni electrice. Ethernetul clasic, de exemplu, a fost proiectat sa permit! folosirea a patru repe-toare în scopul de a extinde lungimea maxim! a cablului de la 500 de metri la 2500 de metri.

Fig. 4-46. (a) Coresponden#a dintre niveluri "i dispozitive. (b) Cadre, pachete "i antete

În continuare ajungem la noduri. Un nod are un num!r de linii de intrare pe care le une"te din

punct de vedere electric. Cadrele care ajung la nod pe oricare linie sunt trimise afar! pe toate cele-lalte liniile. Dac! dou! cadre ajung în acela"i timp se vor ciocni la fel ca "i atunci când ar fi transmise pe un cablul coaxial. Cu alte cuvinte un nod formeaz! un singur domeniu de coliziune. Toate liniile ce intr! în nod trebuie s! lucreze la aceea"i vitez!. Nodurile difer! de repetoare prin faptul ca (de obicei) nu amplific! semnalele pe care le primesc "i sunt proiectate pentru a suporta multe pl!ci de extensie cu mai multe intr!ri; totu"i, diferen#ele nu sunt semnificative. Ca "i repetoarele, nodurile nu examineaz! adresele 802 "i nici nu le utilizeaz! în vreun fel. Un nod este ar!tat în fig. 4-47(a).

Acum vom aborda nivelul leg!turii de date, unde g!sim pun#ile "i comutatoarele. Tocmai am studiat pun#ile. O punte conecteaz! dou! sau mai multe LAN-uri a"a cum este ar!tat în fig. 4-47(b). Când un cadru ajunge, software-ul din punte extrage adresa destina#ie din cadru "i caut! în tabela sa vad! unde s! trimit! cadrul. Pentru Ethernet, aceast! adres! este adresa destina#ie de 48 de bi#i pre-zentat! în fig. 4- 7. Asem!n!tor unui nod, o punte moderna are placi de extensie, de obicei pentru patru sau opt intr!ri de un anumit tip. O plac! de extensie pentru Ethernet nu poate manevra, sa


zicem, cadre token ring, pentru c! nu "tie unde s! g!seasc! adresa destina#ie în antetul cadrului. Ori-cum, o punte poate avea placi de extensie pentru diferite tipuri de re#ele "i diferite viteze. Spre deo-sebire de nod, la punte fiecare linie se afl! în propriul domeniu de coliziune.

Fig. 4-47. (a) Un nod. (b) O punte. (c) Un comutator. Comutatoarele sunt similare cu pun#ile deoarece amândou! ruteaz! cadre pe baza adreselor. De

fapt, mul#i oameni folosesc aceste dou! denumiri f!r! a face o distinc#ie clar! intre termeni. Princi-pala diferen#! este aceea c! un comutator este cel mai adesea folosit pentru a conecta calculatoare individuale, a"a cum este ar!tat în fig. 4-47(c). Ca o consecin#!, când gazda A în fig. 4-47(b) dore"te sa trimit! un cadru c!tre gazda B, puntea prime"te cadrul dar nu îl ia în considerare. Din contr!, dup! cum se vede în fig. 4-47(c), comutatorul trebuie sa retransmit! cadrul de la A la B deoarece nu exist! alt drum pentru ca acest cadru s! ajung!. Întrucât fiecare port al comutatorului este de obicei conectat la un singur calculator, comutatorul trebuie s! aib! loc pentru mai multe placi de extensie decât pun#ile care trebuie s! conecteze numai re#ele. Fiecare plac! de extensie are un spa#iu tampon pentru cadrele recep#ionate. Deoarece fiecare port se afl! în propriul domeniu de coliziune, comuta-toarele nu pierd niciodat! cadre din cauza coliziunilor. Totu"i, dac! un comutator prime"te cadre mai repede decât le poate retransmite, este posibil ca în scurt timp sa nu mai aib! memorie tampon liber! "i sa înceap! s! arunce din cadrele primite.

Pentru a relaxa pu#in problema, comutatoarele moderne încep sa retransmit! cadre imediat ce antetul destina#ie ajunge, dar înainte ca restul cadrului sa ajung! (bineîn#eles asigurându-se ca linia de ie"ire este disponibila). Aceste comutatoare nu utilizeaz! tehnica de memorare "i retransmitere. Câteodat! ele sunt men#ionate drept comutatoare cu transmitere de fragmente (cut-through switches). De obicei acest tip de comutator este implementat în întregime în hardware, în timp ce tradi#ionalele pun#i con#in un CPU ce face comutare cu memorare "i retransmitere la nivel software. Dar deoarece toate pun#ile "i comutatoarele moderne con#in circuite integrate speciale pentru co-mutare, diferen#ele dintre comutatoare "i pun#i #in mai mult de probleme de marketing decât de probleme tehnice.

Pân! acum, am v!zut repetoare "i noduri, care sunt foarte asem!n!toare, precum "i pun#i "i co-mutatoare, care sunt de asemenea foarte asem!n!toare între ele. Acum trecem mai departe la rutere, care sunt "i ele diferite de cele men#ionate mai sus. Când un pachet ajunge la un ruter, ante-tul "i sfâr"itul cadrului sunt eliminate "i pachetul localizat în informa#ia utila a cadrului (înnegrit în fig. 4-46) trece c!tre software-ul de rutare. Acest software folose"te antetul pachetului pentru a alege o linie de ie"ire. Pentru un pachet IP, antetul pachetului va con#ine adrese de 32 de bi#i (IPv4) sau


adrese de 28 de bi#i (IPv6), în nici un caz adrese 802 de 48 de bi#i. Software-ul de rutare nu vede adresele cadrelor "i nici m!car nu "tie daca pachetul a venit de pe un LAN sau de pe o linie punct la punct. În cap. 5 vom studia ruterele "i rutarea.

Mai sus cu un nivel g!sim por#ile de transport (gateways). Acestea conecteaz! doua calculatoare ce utilizeaz! diferite protocoale de transport orientate pe conexiune. De exemplu, s! presupunem c! un calculator care utilizeaz! protocolul TCP/IP orientat pe conexiune, trebuie s! discute cu un calcu-lator care folose"te protocolul ATM orientat pe conexiune. Poarta de transport poate copia pachete de la o conexiune la alta, ref!când pachetele dup! necesita#i.

În încheiere, por#ile la nivelul aplica#ie în#eleg formatul "i con#inutul datelor "i traduc mesajul de la un format la altul. De exemplu, o poart! de po"ta electronic! poate traduce mesaje Internet în mesaje SMS pentru telefoane mobile.

4.7.6 LAN-uri virtuale

La începutul dezvolt!rii re#elelor locale de calculatoare, cabluri groase galbene "erpuiau prin conductele de cablu ale multor cl!diri de birouri. Acestea conectau toate calculatoarele pe la care treceau. Adesea erau mai multe cabluri conectate la coloana vertebral! central! (ca în fig. 4-39) sau la un nod central. Nu se acorda nici o importan#! coresponden#ei între calculatoare "i LAN-uri. To#i oamenii din birouri al!turate erau conecta#i la acela"i LAN idiferent dac! apar#ineau sau nu acele-ia"i organiza#ii. Pozi#ionarea fizic! a calculatoarelor domina logica.

Totul s-a schimbat odat! cu apari#ia lui 0Base-T "i a nodurilor în anii 990. Cl!dirile au fost recablate (cu costuri considerabile) pentru a scoate vechile cabluri galbene, instalându-se în loc cabluri cu perechi de fire torsadate de la fiecare birou pân! la locurile de conectare central! de la cap!tul fiec!rui coridor sau pân! la camera unde se afla calculatorul principal, a"a cum este ilus-trat în fig. 4-48.

Fig. 4-48. O cl!dire cu re#ea centralizata ce folose"te noduri "i un comutator.


Dac! vicepre"edintele care se ocupa de cablare era vizionar, se instalau cabluri cu perechi de fire torsadate de categoria a cincea; dac! acesta era un statistician era utilizat cablu de telefon existent (categoria 3) (pentru a fi înlocuit câ#iva ani mai târziu când a ap!rut Ethernet-ul rapid).

Folosindu-se noduri ("i mai târziu, comutatoare) Ethernet, era adesea posibil! configurarea LAN-urilor din punct de vedere logic mai mult decât din punct de vedere fizic. Daca o companie dore"te k LAN-uri, cump!r! k noduri. Alegând cu grij! ce conectoare vor fi introduse în nod, ocupan#ii LAN-ului pot fi ale"i din punct de vedere organiza#ional f!r! a se da prea mare importan#! amplas!rii geo-grafice. Bineîn#eles, dac! doi oameni apar#inând aceluia"i departament lucreaz! în cl!diri diferite, cel mai probabil ace"tia sunt conecta#i în noduri diferite "i astfel în LAN-uri diferite. Cu toate acestea, situa#ia se prezint! mult mai bine decât în cazul LAN-urilor bazate pe amplasare geografic!.

Conteaz! cine este conectat "i în ce LAN? Oricum, în toate organiza#iile, toate LAN-urile sunt în cele din urm! interconectate. Pe scurt, r!spunzând la întrebare: adesea conteaz!. Dintr-o multitudi-ne de motive administratorii de re#ea î"i doresc s! grupeze utilizatorii în LAN-uri pentru a reflecta structura organizatoric! mai degrab! decât structura fizic! a cl!dirii. O problem! este securitatea. Orice interfa#! de re#ea poate fi configurat! în mod transparent, copiind tot traficul care sose"te pe canalul de comunica#ie. Multe departamente, cum ar fi cele de cercetare, patente "i contabilitate, de#in informa#ii pe care nu doresc s! le fac! cunoscute în afara departamentului. În situa#ii ca aces-tea, punerea tuturor oamenilor din departament într-o singur! re#ea local! f!r! a permite vreunui fel de trafic s! ias! din aceast! re#ea este o solu#ie bun!. Totu"i, administratorul va vrea sa aud! de-spre astfel de aranjamente doar dac! to#i oamenii din fiecare departament sunt localiza#i in birouri adiacente, f!r! birouri interpuse între acestea.

Poate s! apar! "i o a doua problem!. Unele re#ele locale sunt utilizate mai intensiv decât altele "i poate fi benefic! separarea acestora la anumite momente. De exemplu, dac! persoanele de la cerce-tare ruleaz! tot felul de experimente dichisite care din când în când scap! de sub control "i le satu-reaz! re#eaua local!, persoanele de la contabilitate s-ar putea s! nu fie foarte entuziasmate în a dona capacitatea departamentului lor pentru a ajuta.

O a treia problem! este difuzarea. Cele mai multe re#ele locale suport! difuzarea "i multe proto-coale de nivel superior folosesc aceast! facilitate în mod extensiv. Spre exemplu, atunci când un utiliza-tor dore"te s! trimit! un pachet c!tre o adres! IP x, cum "tie sta#ia sa ce adres! MAC s! pun! in cadru? Vom studia aceast! întrebare în cap. 5, dar, pe scurt, r!spunsul este c! va difuza un cadru care con#ine întrebarea: A cui este adresa IP x? Apoi a"teapt! un r!spuns. %i exist! multe alte exemple de utilizare a difuz!rii. Pe m!sur! ce din ce în ce mai multe re#ele locale sunt interconectate, num!rul cadrelor de difuzare recep#ionate de fiecare ma"in! tinde s! creasc! liniar cu num!rul de ma"ini.

O alt! problem! legat! de difuzare apare din când în când, atunci când o plac! de re#ea se defec-teaz! "i începe s! transmit! un "ir nesfâr"it de cadre de difuzare. Rezultatul acestei furtuni de difu-

z ri (broadcast storm) este c! ( ) întreaga capacitate a re#elei locale este ocupat! de aceste cadre "i (2) c! toate ma"inile din toate re#ele locale interconectate cu aceasta sunt paralizate doar prin proce-sarea "i ignorarea tuturor cadrelor difuzate.

La prima vedere s-ar putea p!rea c! furtunile de difuz!ri pot fi limitate în spa#iu prin separarea re#elelor locale prin pun#i "i comutatoare, dar dac! scopul este s! se ating! transparen#! (de ex o ma"in! poate fi mutat! intr-o re#ea local! diferit! f!r! ca nimeni s! observe acest lucru), atunci pun-#ile trebuie s! înainteze toate cadrele de difuzare.

Dup! ce am v!zut de ce companiile ar dori s! aib! mai multe re#ele locale cu întindere limitat!, haide#i s! ne întoarcem la problema decupl!rii topologiei logice de cea fizic!. S! presupunem c! un utilizator este mutat în cadrul companiei de la un departament la altul f!r! s! î"i schimbe biroul, sau


c! î"i schimb! biroul f!r! a-"i schimba departamentul. Folosind o cablare bazat! pe hub-uri, mutarea utilizatorului în re#eaua local! corect! presupune ca administratorul de re#ea s! mearg! în centrul de cablare "i s! mute conectorul pentru calculatorul utilizatorului respectiv dintr-un hub în alt hub.

În multe companii, schimb!rile organiza#ionale au loc tot timpul, însemnând c! administratorii de sistem petrec o mul#ime de timp sco#ând cabluri de undeva "i punându-le în alt! parte. De ase-menea, în unele cazuri, este posibil ca schimb!rile s! nu poat! fi f!cute deloc, pentru c! perechea torsadat! de la ma"ina utilizatorului este prea departe de hub-ul potrivit (de ex. în alt! cl!dire).

Ca r!spuns la cerin#ele utilizatorilor pentru o flexibilitate sporit!, comercian#ii de echipamente de re#ea au început s! lucreze la o modalitate de a recabla cl!diri în întregime doar cu ajutorul sof-tware-ului.. Conceptul rezultat este numit VLAN (Virtual LAN, rom: re#ea local! virtual!) "i a fost standardizat de c!tre comitetul 802. Acum este utilizat în multe organiza#ii. Haide#i s! arunc!m o privire asupra lui. Pentru informa#ii suplimentare despre VLAN-uri, vezi (Breyer and Riley, 999; and Seifert, 2000).

VLAN-urile se bazeaz! pe comutatoare dedicate, cu toate c! pot avea ni"te hub-uri la periferie, ca în fig. 4-48. Pentru configurarea unei re#ele bazate pe VLAN-uri, administratorul de re#ea decide câte VLAN-uri vor exista, ce calculatoare vor apar#ine fiec!rui VLAN "i cum se vor numi VLAN-urile. De cele mai multe ori, VLAN-urile sunt denumite (informal) cu nume de culori, pentru c! este apoi posibil! tip!rirea de diagrame color cu dispunerea fizic! a ma"inilor, figurând membrii VLAN-ului ro"u în ro"u, membrii VLAN-ului verde în verde "i a"a mai departe. În acest fel, atât dispunerea logic!, cât "i cea fizic!, sunt vizibile într-o singur! figur!.

Ca un exemplu, s! consider!m cele patru re#ele locale din fig. 4-49(a), în care opt dintre ma"ini apar#in VLAN-ului G (gri) "i "apte apar#in VLAN-ului A (alb). Cele patru re#ele locale sunt conec-tate cu dou! pun#i, B "i B2. Dac! este folosit! cablare centralizat! cu fire torsadate, pot fi de ase-menea prezente 4 hub-uri (care nu sunt prezentate în figur!), dar la nivel logic un cablu cu mai mul#i conectori "i un hub sunt acela"i lucru. Prezentarea lor în modul în care sunt figura#i aici face figura mai pu#in înc!rcat!. De asemenea, termenul de punte tinde s! fie folosit în zilele noastre mai ales în cazurile când exist! mai multe ma"ini pe fiecare port, ca în aceast! figur!, dar în rest termenii “pun-te” "i “comutator” sunt interschimbabili. Fig. 4-49(b) prezint! acelea"i ma"ini "i acelea"i acela"i VLAN-uri folosind comutatoare cu un singur calculator pe fiecare port.

Fig. 4-49. (a) Patru re#ele fizice organizate în dou! VLAN-uri, gri "i alb, de c!tre dou! pun#i

(b) Acelea"i 5 ma"ini organizate în doua VLAN-uri cu comutatoare


Pentru a asigura func#ionarea corect! a VLAN-urilor, trebuie create tabele de configurare în comutatoare sau în pun#i. Aceste tabele stabilesc care VLAN este accesibil pe fiecare dintre porturi (linii). Atunci când un cadru este recep#ionat de la, s! spunem, VLAN-ul gri, acesta trebuie înaintat c!tre toate porturile marcate cu G. Acest lucru este valabil atât pentru traficul direc#ionat, cât "i pen-tru cel cu destina#ie multipl! "i cu difuzare.

Observa#i faptul c! un port poate fi marcat cu mai multe culori de VLAN-uri. Acest lucru poate fi v!zut clar în fig. 4-49(a). S! presupunem c! ma"ina A difuzeaz! un cadru. Puntea B recep#ionea-z! cadrul "i observ! c! acesta este provenit de la o sta#ie din VLAN-ul gri, deci îl va înainta c!tre toate porturile marcate cu G (cu excep#ia portului de unde a venit). Din moment ce B are numai dou! alte porturi "i ambele sunt marcate cu G, cadrul va fi trimis pe ambele porturi.

În cazul lui B2 povestea este diferit!. Aici puntea "tie c! nu exist! ma"ini gri in re#eaua local! 4, deci cadrul nu va fi înaintat acolo. Acesta va merge numai c!tre re#eaua local! 2. Dac! unul dintre utilizatorii din re#eaua local! 4 î"i va schimba departamentul "i va fi mutat în VLAN-ul gri, atunci tabela din interiorul lui B2 va trebui actualizat! pentru a reeticheta portul cu GA în loc de A. Dac! ma"ina F devine gri, atunci portul c!tre re#eaua local! 2 trebuie etichetat cu G în loc de GA.

Acum s! presupunem c! toate ma"inile atât din re#eaua local! 2 cât "i din re#eaua local! 4 devin gri. Atunci nu numai c! porturile lui B2 c!tre re#elele 2 "i 4 vor fi marcate cu G, dar "i portul lui B c!tre B2 trebuie de asemenea reetichetat de la GA la G, din moment ce cadrele albe care ajung la B din re#elele "i 3 nu mai sunt înaintate c!tre B2. În fig. 4-49(b) ace"ti situa#ie r!mâne în picioare, numai c! aici toate porturile care ajung la câte o singur! ma"in! sunt etichetate cu o singur! culoare deoarece acolo exist! un singur VLAN.

Pân! acum am presupus ca pun#ile "i comutatoarele "tiu cumva ce culoare are un cadru recep#i-onat. Cum "tiu acest lucru? Exist! trei metode folosite:

. Fiec!rui port îi este asociat! o culoare de VLAN 2. Fiec!rei adrese MAC îi este asociat! o culoare de VLAN 3. Fiec!rui protocol de nivel 3 sau fiec!rei adrese IP îi este asociat! o culoare de VLAN

Cu prima metod!, fiecare port este etichetat cu o culoare de VLAN. Totu"i, aceast! metod! func-#ioneaz! doar dac! toate ma"inile de pe un port apar#in aceluia"i VLAN. În fig. 4-49(a), acest lucru este valabil în cazul lui B pentru portul c!tre re#eaua 3, dar nu "i pentru portul c!tre re#eaua .

În cazul celei de-a doua metode, puntea sau comutatorul are o singur! tabel! ce con#ine adresa MAC pe 48 de bi#i a fiec!rui ma"ini conectate la el, împreun! cu VLAN-ul c!ruia îi apar#ine ma"ina respectiv!. În aceste condi#ii, este posibil! combinarea mai multor VLAN-uri pe o singur! re#ea lo-cal! fizic!, cum este cazul re#elei din fig. 4-49(a). Când un cadru este recep#ionat, tot ce trebuie s! fac! puntea sau comutatorul este s! extrag! adresa MAC "i s! caute intrarea corespunz!toare din tabel!, pentru a g!si VLAN-ul de unde a fost recep#ionat cadrul.

Cea de-a treia metod! presupune ca puntea sau comutatorul s! examineze câmpul înc!rcare uti-l! al cadrului cu scopul de a clasifica, de exemplu, toate ma"inile IP ca apar#inând unui VLAN "i toate ma"inile AppleTalk ca apar#inând altuia. Pentru cel dintâi, adresa IP poate fi de asemenea utilizat! pentru identificarea ma"inii. Aceast! strategie este foarte util! atunci când mai oricare din mai multe ma"ini sau calculatoare portabile pot fi cuplate în mai multe sta#ii de ancorare. Din mo-ment ce fiecare sta#ie de ancorare are propria adres! MAC, doar cunoa"terea sta#iei de ancorare folosite nu spune nimic despre VLAN-ul c!ruia îi apar#ine laptop-ul.

Singura problem! cu aceast! abordare este c! nu respect! una dintre regulile de baz! în re#ele ce calculatoare: independen#a nivelurilor. Nu este treaba nivelului leg!tur! de date ce este în câmpul de


înc!rcare util! al cadrului. Acest nivel nu ar trebui s! examineze aceste câmp "i cu atât mai pu#in s! ia decizii pe baza con#inutului acestuia. O consecin#! a utiliz!rii acestei abord!ri este aceea c! o modifi-care a unui protocol de nivel 3 (de exemplu o trecere de la IPv4 la IPv6) va duce la nefunc#ionarea comutatorului. Din nefericire, exist! pe pia#! comutatoare care func#ioneaz! în acest fel.

Desigur, nu este nimic în neregul! în rutarea bazat! pe adrese IP – aproape tot cap. 5 este dedi-cat rut!rii IP – dar s! combini nivelurile înseamn! s! o cau#i cu lumânarea. Un produc!tor de comu-tatoare poate desconsidera acest argument sus#inând c! toate comutatoarele comercializate de el în#eleg atât IPv4, cât "i IPv6, deci totul este în regul!. Dar ce se va întâmpla atunci când va ap!rea IPv7? Produc!torul probabil c! va r!spunde: cump!ra#i comutatoare noi, este asta atât de r!u?

Standardul IEEE 802.#Q Dac! ne gândim mai bine, ceea ce conteaz! cu adev!rat este VLAN-ul cadrului însu"i, nu

VLAN-ul ma"inii care l-a trimis. Dac! ar exista o modalitate de identificare a VLAN-ului în antetul cadrului, atunci necesitatea de a examina câmpul înc!rcare ar disp!rea. Pentru un model nou de re#ea local!, cum ar fi 802. sau 802. 6, ar fi fost destul de u"or s! fie ad!ugat num!rul VLAN-ului în antet. De fapt, câmpul identificator de conexiune din 802. 6 este oarecum similar cu spiritul identi-ficatorilor de VLAN. Dar ce s! facem cu Ethernetul, care este tehnologia dominant! de re#ele locale "i care nu are câmpuri goale disponibile care s! poat! fi utilizate pentru identificatorul de VLAN?

Comitetul IEEE 802 a confruntat aceast! problem! în 995. Dup! multe discu#ii, a f!cut inima-ginabilul "i a modificat cadrul Ethernet. Noul format a fost publicat în standardul IEEE 802. Q, lansat în 998. Noul format con#ine marcajul pentru VLAN; îl vom examina în curând. Nu în mod surprinz!tor, schimbarea a ceva atât de bine împ!mântenit cum este Ethernetul nu este în întregime trivial!. O serie de întreb!ri care ne vin în gând sunt:

. Trebuie s! arunc!m câteva sute de milioane de pl!ci de re#ea Ethernet? 2. Dac! nu, cine genereaz! noul câmp? 3. Ce se întâmpl! cu cadrele care au deja lungimea maxim!?

Desigur, comitetul 802 a fost con"tient (în mod dureros) de aceste probleme "i a trebuit s! ofere solu#ii, ceea ce a "i f!cut.

Cheia pentru g!sirea solu#iei este s! realiz!m c! identificatorii de VLAN sunt utiliza#i efectiv numai de pun#i "i de comutatoare "i nu de c!tre ma"inile utilizatorilor. Prin urmare, în fig. 4-49 nu este esen#ial ca identificatorii s! fie prezen#i pe liniile ce pornesc de la sta#ii, atât timp cât sunt pre-zen#i pe liniile ce interconecteaz! pun#ile. Prin urmare, pentru a folosi VLAN-uri, pun#ile "i comuta-toarele trebuie s! fie con"tiente de existen#a acestora, dar aceasta era deja o cerin#!. Acum introdu-cem necesitatea suplimentar! ca acestea s! implementeze 802. Q, iar cele noi deja fac acest lucru.

La întrebarea dac! trebuie aruncate toate pl!cile Ethernet, r!spunsul este nu. Aduce#i-v! amin-te: comisia 802.3 nu a putut convinge oamenii s! schimbe câmpul tip intr-un alt câmp numit lungi-me. Va pute#i imagina reac#ia acestora la anun#ul ca toate pl!cile Ethernet au fost scoase din uz. Oricum, în momentul în care noile placi Ethernet vor ap!rea pe pia#!, se spera c! acestea vor supor-ta 802. Q "i se vor putea integra în totalitate în VLAN-uri.

A"a c!, daca cel care genereaz! mesajul nu introduce câmpurile pentru VLAN, atunci cine o va face? R!spunsul este c! prima punte sau comutator ce suporta VLAN la care ajunge un cadru, ada-ug! câmpurile, "i la ultimul le scoate. Dar cum "tie care cadru apar#ine c!rui VLAN ? Ei bine, prima punte sau primul comutator poate atribui un num!r VLAN unui port, se poate uita la adresa MAC, sau s! examineze informa#ia util!. Pân! când toate pl!cile Ethernet vor în conformitate cu 802. Q,


suntem oarecum tot în punctul din care am plecat. Marea speran#! este c! de la început toate pl!cile gigabit Ethernet vor fi în conformitate cu 802. Q "i pe m!sur! ce oamenii vor trece la gigabit Ethernet , 802. Q va fi introdus automat. În ce prive"te problema cadrelor mai mari de 5 8 octe#i, 802. Q ridic! limita la 522 octe#i.

În timpul procesului de tranzi#ie, multe re#ele vor avea ca ma"ini perimate (de obicei Ethernet clasic sau rapid) care nu suporta VLAN "i ma"ini (de obicei gigabit Ethernet) care suporta. Situa#ia este ar!tat! în fig. 4-50, unde simbolurile umbrite suport! VLAN iar celelalte nu. Pentru a simplifica problema, presupunem c! toate comutatoarele suporta VLAN. Chiar dac! nu este cazul, primul comutator ce suport! VLAN poate ad!uga marcaje bazate pe adrese MAC sau IP.

Fig. 4-50. Tranzi#ia de la un Ethernet perimat la un Ethernet ce suport! VLAN. Simbolurile umbrite suport! VLAN; cele goale nu.

În aceasta figur!, pl!cile Ethernet ce suport! VLAN genereaz! direct cadre marcate (de exem-

plu 802. Q), "i comut!rile ulterioare se folosesc de aceste marcaje. Pentru a face aceast! comutare, comutatoarele trebuie sa "tie în prealabil care VLAN poate fi accesat "i pe ce port. %tiind c! un ca-dru apar#ine unui VLAN gri , nu ajut! prea mult faptul ca un cadru apar#ine unui VLAN gri, pân! când comutatorul "tie care porturi sunt conectate la ma"inile din VLAN-ul gri. A"a c!, comutatorul are nevoie de o tabela indexat! de VLAN care s! spun! ce porturi sa foloseasc! "i care suporta VLAN sau nu.

Când un PC perimat trimite un cadru c!tre un comutator ce suporta VLAN, comutatorul con-struie"te un nou cadru marcat bazat pe cuno"tin#ele sale despre VLAN-ul care l-a trimis (folosind portul, adresa MAC sau adresa IP). Din acel punct, nu mai conteaz! dac! cel care trimite este o ma-"in! legacy (perimat!). Similar, un comutator care trebuie s! trimit! un cadru marcat c!tre o ma"in! perimat! (legacy) trebuie s! reconstruiasc! cadrul în forma veche înainte de a-l furniza.

Haide#i s! privim formatul cadrului 802. Q. Este schi#at în fig. 4-5 . Singura schimbare este ad!-ugarea unei perechi de câmpuri a cate 2 octe#i. Primul este identificatorul protocolului VLAN. El are întotdeauna valoarea 0x8 00. Întrucât acest num!r este mai mare de 500, toate pl!cile Ethernet interpreteaz! acest num!r ca tip nu ca lungime. Ce face o placa mai veche cu un asemenea cadru este o problem! deoarece asemenea cadre nu ar trebui trimise c!tre acestea.

SEC. 4.7. COMUTAREA LA NIVELUL LEG$TURII DE DATE 30#

Fig. 4-5#. Formatul cadrelor Ethernet 802.3 mo"tenite "i 802. Q. Al doilea câmp de 2 octe#i con#ine trei sub-câmpuri. Sub-câmpul principal este identificatorul

VLAN ce ocupa cei mai pu#in semnificativi 2 octe#i. Aceasta este problema principala: c!rui VLAN apar#ine fiecare cadru? Câmpul Prioritate de 3 bi#i nu are nici o leg!tur! cu VLAN-ul, dar întrucât schimbarea antetului Ethernet este un eveniment foarte rar care s-ar desf!"ura pe parcursul a trei ani "i ar implica 00 de oameni, de ce nu am pune alte informa#ii folositoare în el? Acest câmp face posibila distingerea intre traficul în timp real implementat hard "i cel implementat soft "i de traficul intens pentru o mai buna calitate a serviciilor în Ethernet. Este nevoie de voce prin Ethernet (ca sa fim impar#iali, IP a avut un câmp similar mai mult de un sfert de secol "i nu a fost folosit niciodat!).

Ultimul bit, CFI (Canonical Format Indicator, rom: indicator de format canonic) ar fi trebuit sa fie numit CEI (Corporate Ego Indicator, rom: indicator de ego al corpora#iei). Originar era folosit s! indice adresele MAC în format little-indian sau big-indian îns! aceast! obi"nuin#! s-a pierdut da-torit! controverselor. În zilele noastre prezen#a lui indic! faptul c! informa#iile utile con#in un 802.5 cadru prestabilit (freezed-dried, rom: înghe#at "i uscat) care este transportat de o re#ea Ethernet care sper! s! g!seasc! la destina#ie un LAN 802.5. Tot acest aranjament, nu are nici o leg!tura cu VLAN-urile. Îns! politica comitetului de standarde este foarte asem!n!toare cu politica obi"nuit!: dac! votezi în favoarea bitului meu, votez "i eu în favoarea bitului t!u.

A"a cum am precizat mai sus, când un cadru marcat ajunge la un comutator ce suporta VLAN, comutatorul folose"te, ca un index intr-o tabela identificatorul VLAN, pentru a g!si la ce port sa tri-mit!. Dar de unde vine tabela? Este construita manual, ne-am întors de unde am plecat: configurarea manuala a pun#ilor. Frumuse#ea pun#ilor transparente este faptul c! acestea sunt montate "i pornite (plug-and-play) "i nu au nevoie de configurare manual!. Ar fi p!cat s! se piard! aceast! facilitate. Din fericire, pun#ile care suport! VLAN se pot autoconfigura pe baza marcajelor care vin. Dac! un cadru marcat, cum ar fi VLAN 4, ajunge la portul 3, aparent câteva calculatoare de pe portul 3 apar#in VLAN-ului 4. Standardul 802. Q explica cum s! construie"ti dinamic tabelele, în marea majoritate a cazurilor referindu-se la p!r#i apropiate din algoritmul lui Perlman standardizat în 802. D.

Înainte de a p!r!si subiectul referitor la rutarea în VLAN, merita s! facem o ultima observa#ie. Mul#i oameni în lumea Internetului "i a Ethernetului sus#in fanatic re#elele neorientate pe conexiune "i se opun cu violen#! conexiunilor la nivelul leg!turii de date. În momentul de fa#!, VLAN-urile in-troduc ceva ce este surprinz!tor de asem!n!tor cu o conexiune. Pentru a utiliza corect VLAN-uri, fiecare cadru are un nou identificator special care este utilizat pe post de index într-o tabel! din comu-tator, pentru a g!si destina#ia cadrului. Este exact acela"i principiu de func#ionare ce apare la re#elele orientate pe conexiune. În re#elele neorientate pe conexiune adresa destina#ie este folosit! la rutare "i nu exista identificatori de conexiune. Alte aspecte privind comunicarea vor fi tratate în cap. 5.


4.8 REZUMAT

Anumite re#ele au un singur canal care este folosit pentru toate comunica#iile. În aceste re#ele, problema principal! de proiectare este alocarea acestui canal între sta#iile concurente care doresc s! îl foloseasc!. Au fost pu"i la punct numero"i algoritmi de alocare a canalului. Un rezumat al unora dintre cele mai importante metode de alocare a canalului este prezentat în fig. 4-52.

Metod Descriere FDM Dedic o band de frecven! fiec rei sta!ii WDM O schem dinamic FDM pentru fibr optic TDM Dedic o cuant de timp fiec rei sta!ii ALOHA pur Transmisie nesincronizat în orice moment ALOHA cuantificat Transmisie aleatoare în cuante de timp bine definite CSMA "-persistent Acces multiplu standard cu detectarea purt toarei CSMA nepersistent Întârziere aleatoare când canalul este ocupat CSMA p-persistent CSMA cu probabilitatea de persisten! p CSMA/CD CSMA cu oprire în cazul detect rii unei coliziuni Hart de bi!i (bit map) Utilizeaz o hart de bi!i pentru planificare de tip rulare prin rota!ie Num rare binar invers Urm toarea este sta!ia preg tit cu cel mai mare num r Parcurgere arborescent Reduce conflictele prin activare selectiv Divizarea lungimii de und Schem FDM dinamic pentru fibre optice MACA, MACAW Protocoale LAN f r fir Ethernet CSMA/CD cu algoritm cu regresie exponen!ial binar FHSS Frequency hopping spread spectrum DSSS Direct sequence spread spectrum CSMA/CA Acces multiplu cu sesizarea purt toarei cu evitarea coliziunilor

Fig. 4-52. Metode "i sisteme de alocare a canalului pentru un canal obi"nuit.

Cele mai simple scheme de alocare sunt FDM "i TDM. Acestea sunt eficiente atunci când num!-rul de sta#ii este mic "i traficul continuu, oarecum echilibrat. Amândou! sunt larg folosite în aceste condi#ii, de exemplu pentru a diviza banda de leg!tur! utilizat! pentru trunchiuri telefonice.

Dac! num!rul sta#iilor este mare "i variabil, iar traficul de tip rafal!, atunci FDM "i TDM nu sunt alegeri bune. Ca alternativ! a fost propus protocolul ALOHA, cu sau f!r! cuantificare "i con-trol. ALOHA "i numeroasele sale variante "i derivate a fost pe larg discutat, analizat "i folosit în sisteme reale.

Atunci când starea canalului poate fi detectat!, sta#iile pot evita începerea unei transmisii cât timp transmite alt! sta#ie. Aceast! tehnic!, detectarea purt!toarei, a condus la o diversitate de pro-tocoale care pot fi folosite pe LAN-uri "i MAN-uri.

Exist! o clas! de protocoale care elimin! total conflictele, sau cel pu#in le reduce considerabil. Num!rarea binar! invers! elimin! complet conflictele. Protocolul de parcurgere arborescent! le reduce împ!r#ind dinamic sta#iile în dou! grupuri disjuncte, unuia permi#ându-i-se s! transmit! iar celuilalt nu. Acesta încearc! s! fac! împ!r#irea astfel, încât transmisia s!-i fie permis! unei singure sta#ii dintre cele preg!tite s! trimit!.

LAN-urile f!r! fir au propriile lor probleme "i solu#ii. Cea mai mare problem! este cauzat! de sta#ii ascunse, astfel încât CSMA nu func#ioneaz!. O clas! de solu#ii, tipizat! de MACA "i MACAW, inten#ioneaz! s! stimuleze transmisiile în jurul destina#iei, pentru a îmbun!t!#i func#ionarea CSMA.

SEC. 4.9 PROBLEME 303

FHSS "i DSSS sunt de asemenea utilizate. IEEE 802. combin! CSMA "i MACAW pentru a pro-duce CSMA/CA.

Ethernetul este forma dominanta pentru re#ele locale. Acesta utilizeaz! CSMA/CD pentru alo-carea canalului. Versiunile vechi foloseau cabluri ce "erpuiau de la o ma"ina la alta, dar acum sunt utilizate perechi de fire torsadate ce se conecteaz! în noduri "i comutatoare. Vitezele au crescut de la 0 Mbps la Gbps "i cresc în continuare.

LAN-urile f!r! fir sunt din ce în ce mai comune, 802. dominând acest domeniu. Nivelul s!u fi-zic permite cinci moduri de transmisie diferite, incluzând infraro"u, o varietate de spread spectrum schemes, "i un sistem FDM multicanal. Poate opera cu câte o sta#ie de baz! în fiecare celul!, dar poate opera "i f!r! nici. Protocolul este o versiune de MACAW cu sesizarea virtual! a purt!toarei. MAN-urile f!r! fir au început deja s! apar!. Acestea sunt sisteme de band! larg! care utilizeaz! un-de radio pentru a înlocui ultimele por#iuni în conexiunile telefonice. Sunt folosite tehnici tradi#ionale de modula#ie de band! îngust!. Calitatea serviciilor este important!, cu 802. 6 definindu-se patru clase "i anume: vitez! de transmisie constant!, dou! viteze de transmisie variabile "i o vitez! de transmisie cu cea mai bun! încercare (eng. best efforts).

Sistemul Bluetooth este de asemenea f!r! fir dar este adresat mai mult c!tre sistemele desktop, pentru conectarea c!"tilor "i a altor echipamente la calculatoare f!r! a utiliza fire. Se inten#ioneaz! de asemenea conectarea perifericelor, cum ar fi faxurile la telefoane mobile. Ca "i 802. , acesta folose"te FHSS în banda ISM. Datorit! nivelului de zgomot din multe medii "i datorit! necesita#ii unei interac#iuni în timp real, diferite protocoale înglobeaz! mecanisme complicate pentru urm!ri-rea "i corec#ia erorilor.

Având atât de multe LAN-uri diferite, este necesar! o metod! de a le interconecta. Pun#ile "i comutatoarele sunt folosite în acest scop. Algoritmul cu arbore de acoperire este folosit pentru a construi pun#i plug-and-play. O noua dezvoltare în domeniul interconect!rii LAN-urilor este VLAN, care separ! topologia logic! a LAN-urilor de topologia fizic!. Un nou format pentru cadrele Ethernet (802. Q) a fost introdus pentru a oferi o modalitate mai simpl! de introducere a VLAN-urilor în organiza#ii.

4.9 PROBLEME

#. Pentru aceast! problema folosi#i o formula din acest capitol, îns! înainte de a începe rezolvarea problemei scrie#i formula. Cadrele ajung aleator la un canal de 00 Mbps pentru transmitere. Dac! în momentul când un cadru ajunge avem canalul ocupat, acesta î"i a"teapt! rândul într-o coad!. Dimensiunea cadrului este distribuita exponential cu o medie de 0.000 bi#i/cadru. Pen-tru fiecare din urm!toarele rate de sosire, preciza#i întârzierea medie a unui cadru, incluzând timpul cât acesta st! în coad! "i timpul cât dureaz! transmisia. a) 90 cadre/sec. b) 900 cadre/sec. c) 9000 cadre/sec.


2. Un grup de N sta#ii folosesc în comun un canal ALOHA pur de 56 Kbps. Fiecare sta#ie emite în medie un cadru de 000 de bi#i la fiecare 00 sec, chiar dac! cel precedent nu a fost înc! trimis (de exemplu, sta#iile folosesc zone tampon). Care este valoarea maxim! a lui N?

3. Compara#i întârzierea unui canal ALOHA pur cu aceea a unui canal ALOHA cuantificat la înc!rcare mic!. Care dintre ele este mai mic!? Motiva#i r!spunsul.

4. Zece mii de sta#ii de rezervare a biletelor de avion concureaz! pentru folosirea unui singur canal ALOHA cuantificat. O sta#ie obi"nuit! face 8 cereri/or!. O cuant! este de 25 s. Care este în-c!rcarea total! aproximativ! a canalului?

5. O popula#ie mare de utilizatori ALOHA genereaz! 50 cereri/sec, inclusiv originalele "i retran-smisiile. Timpul este cuantificat în unit!#i de 40 ms. a) Care este "ansa de succes a primei încerc!ri? b) Care este probabilitatea unui num!r de exact k coliziuni urmate de un succes? c) Câte încerc!ri de transmisie ne a"tept!m s! fie necesare?

6. M!sur!torile f!cute asupra unui canal ALOHA cuantificat, cu un num!r infinit de utilizatori, arat! c! 0% din cuante sunt nefolosite. a) Care este înc!rcarea canalului, G? b) Care este productivitatea? c) Canalul este subînc!rcat sau supraînc!rcat?

7. Într-un sistem cuantificat ALOHA cu o popula#ie infinit!, num!rul mediu de cuante pe care o statie le a"teapt! între o coliziune "i retransmisia ei, este 4. Reprezenta#i curba întârzierii în func#ie de productivitate, pentru acest sistem.

8. Cat timp o sta#ie s trebuie s! a"tepte în cel mai r!u caz înainte de a putea transmite cadre intr-un LAN ce folose"te: a) protocolul de baz! harta de bi#i? b) protocolul lui Mok "i Ward cu permutare virtual! a numerelor sta#iilor?

9. Un LAN folose"te versiunea lui Mok "i Ward pentru num!r!toarea invers! binar!. La un anu-mit moment, cele zece sta#ii au numerele virtuale de sta#ie 8, 2, 4, 5, , 7, 3, 6, 9 "i 0. Urm!toare-le trei sta#ii care trebuie s! emit! sunt 4, 3 "i 9, în aceast! ordine. Care sunt noile numere virtua-le de sta#ie dup! ce toate cele trei "i-au terminat transmisiile?

#0. %aisprezece sta#ii concureaz! pentru folosirea unui canal comun folosind protocolul cu parcur-gere arborescent! adaptiv!. Dac! toate sta#iile ale c!ror adrese sunt numere prime devin brusc simultan disponibile, câte intervale de bit sunt necesare pentru a rezolva conflictul?

##. O colec#ie de 2n sta#ii folosesc protocolul cu parcurgere arborescent! adaptiv! pentru a arbitra accesul la un cablu comun. La un moment dat, dou! dintre ele devin disponibile. Care este nu-m!rul minim, maxim "i mediu de cuante pentru a parcurge arborele dac! 2n >> ?

#2. LAN-urile f!r! fir pe care le-am studiat foloseau protocoale ca MACA în loc de CSMA/CD. În ce condi#ii ar fi posibil s! foloseasc! CSMA/CD?

#3. Care sunt caracteristicile comune ale protocoalelor de acces la canal WDMA "i GSM?


#4. %ase sta#ii , de la A la F, comunica utilizând protocolul MACA. Este posibil ca doua transmisii sa aib! loc simultan? Explica#i r!spunsul.

#5. O cl!dire cu 7 etaje are 5 birouri al!turate pe fiecare etaj. Fiecare birou con#ine o priz! de perete pentru un terminal pe peretele din fa#!, astfel încât prizele formeaz! o re#ea rectangula-r! în plan vertical, cu o distan#! de 4 m între prize, atât pe orizontal! cât "i pe vertical!. Presu-punând c! este posibil s! se monteze câte un cablu direct între orice pereche de prize, pe ori-zontal!, vertical! sau diagonal!, câti metri de cablu sunt necesari pentru conectarea tuturor prizelor folosind: a) O configura#ie stea cu un singur ruter în mijloc? b) Un LAN 802.3? c) O re#ea de tip inel (f!r! fir central)?

#6. Care este viteza (în bauds) a unui LAN 802.3 standard de 0 Mbps?

#7. Schi#a#i codificarea Manchester pentru "irul de bi#i: 000 0 0 .

#8. Schi#a#i codificarea Manchester diferen#ial! pentru "irul de bi#i din problema precedent!. Pre-supune#i c! linia este ini#ial în stare jos.

#9. Un LAN CSMA/CD de 0 Mbps (care nu e 802.3), lung de km, are o vitez! de propagare de 200 m/ s. Cadrele de date au o lungime de 256 bi#i, incluzând 32 de bi#i de antet, suma de con-trol "i alte date suplimentare. Primul interval de bit dup! o transmitere efectuat! cu succes este rezervat pentru receptor spre a ocupa canalul pentru a trimite un cadru de confirmare de 32 de bi#i. Care este viteza efectiv! de date, excluzând înc!rcarea suplimentar! "i presupunând c! nu sunt coliziuni?

20. Dou! sta#ii CSMA/CD încearc! s! transmit! fiecare fi"iere mari (multicadru). Dup! ce este trimis fiecare cadru, ele concureaz! pentru canal folosind algoritmul de regresie ex-ponen#ial! binar!. Care este probabilitatea termin!rii conflictului la runda k, "i care este num!rul mediu de runde per conflict?

2#. S! consider!m cazul unei re#ele CSMA/CD de G bps, cu un cablu mai lung de km, f!r! repetoare. Viteza semnalului pe cablu este de 200.000 km/s. Care este dimensiunea mini-m! a cadrului?

22. Un pachet IP ce trebuie transmis în Internet are 60 octe#i cu tot cu antete. Daca LLC nu este utili-zat, este nevoie s! se adauge informa#ie de umplutur! în cadrul Ethernet, "i dac! da, câ#i octe#i?

23. Cadrele Ethernet trebuie s! aib! o lungime minim! de 64 de octe#i pentru a avea siguran#a c! emi#!torul înc! mai emite, în cazul unei coliziuni la capatul cel!lalt al cablului. Fast Ethernet-ul are aceea"i dimensiune minim! a cadrului de 64 de octe#i, dar poate emite bi#ii de zece ori mai rapid. Cum este posibil s! se men#in! aceea"i dimensiune minim! a cadrului?

24. Autorii unor c!r#i sus#in c! dimensiunea maxim! a cadrului Ethernet este de 5 8 octe#i în loc de 500 octe#i. Au ace"tia dreptate? Explica#i r!spunsul.


25. Specifica#iile 000Base-SX spun c! ceasul ar trebui s! mearg! la 250 MHz, de"i Gigabit Ether-net ar trebui sa transmit! Gbps. Este folosit acest plus de vitez! pentru a m!ri siguran#a transmisiei? Dac! nu, specifica#i ce se întâmpl!.

26. Câte cadre pe secund! poate manevra gigabit Ethernet? Lua#i în considerare toate cazurile re-levante. Sugestie: conteaz! faptul c! este o re#ea gigabit Ethernet.

27. Numi#i dou! re#ele care permit sa aib! cadre împachetate cap-la-cap. De ce se merita s! ai aceast! facilitate?

28. În fig. 4-27 sunt ar!tate patru sta#ii, A, B, C "i D. Care dintre ultimele doua sta#ii crede#i ca este mai aproape de A "i de ce?

29. Presupunând ca un -Mbps LAN 802. b transmite cadre de 64-octeti cap-la-cap printr-un canal radio rata erorilor de 0-7 . Câte cadre pe secund! vor fi distruse în medie?

30. O re#ea 802. 6 are lungimea canalului de 20 MHz. Câ#i bi#i/sec pot fi transmi"i la o sta#ie conectat!?

3#. IEEE 802. 6 suport! patru clase de servicii. Care clas! este cea mai bun! alegere pentru a transmite semnal video necomprimat?

32. Da#i dou! motive pentru care re#elele ar trebui s! utilizeze corectarea erorilor în loc de detec#ia erorilor "i retransmisia datelor?

33. În fig. 4-35, am v!zut ca un dispozitiv Bluetooth poate fi în dou! piconet-uri în acela"i timp. Exist! vreun motiv ca un dispozitiv sa nu fie st!pân în ambele piconet-uri în acela"i timp?

34. Fig. 4-25 arat! diferite protocoale de nivel fizic. Care dintre acestea este mai apropiat de protocolul de nivel fizic al Bluetooth? Care este marea diferen#! dintre cele doua?

35. Bluetooth suport! dou! tipuri de leg!tur! între un st!pân "i un sclav. Care sunt acestea "i la ce sunt folosite fiecare?

36. Cadrul de semnalizare la FHSS (frequency hopping spread spectrum) varianta 802. con#ine timpul de locuire (dwell time). Crede#i ca la Bluetooth, cadrul de semnalizare analog, con#ine de asemenea timpul de locuire (dwell time)? Discuta#i r!spunsul.

37. Considera#i LAN-urile interconectate din fig. 4-44. Presupune#i c! gazda a "i b sunt în LAN-ul , c este în LAN-ul 2 "i d este în LAN-ul 8. Ini#ial tabelele de dispersie din toate pun#ile sunt goale "i se folose"te arborele de acoperire din fig. 4-44(b). Ar!ta#i cum tabelele de dispersie din pun#i diferite se schimb! dup! fiecare din urm!toarele evenimente ce se succed : primul a, apoi b "i a"a mai departe. a) a trimite c!tre d. b) c trimite c!tre a. c) d trimite c!tre c. d) d trimite c!tre LAN-ul 6. e) d trimite c!tre a.


38. O consecin#! în folosirea unui arbore de acoperire pentru a retransmite cadre intr-un LAN ex-tins este ca unele pun#i nu particip! la retransmiterea cadrelor. Identifica#i trei pun#i de acest fel în fig. 4-44. Exista vreun motiv pentru a p!stra aceste pun#i, chiar daca ele nu sunt folosite pen-tru retransmitere?

39. Imagina#i-v! ca un comutator are pl!ci de extensie pentru patru linii de intrare. Se întâmpl! frecvent ca un cadru care ajunge pe una din aceste linii trebuie s! ias! pe alt! linie pe aceea"i plac!. Ce variante are proiectantul comutatorului pentru aceasta situa#ie?

40. Un comutator proiectat pentru a fi utilizat cu un Ethernet rapid are un fund de sertar care poate transfera 0 Gbps. Câte cadre/sec poate manevra în cel mai r!u caz?

4#. Considera#i re#eaua din fig. 4-49(a). Daca ma"ina J devine brusc alb!; este nevoie de vreo schimbare la etichetare? Dac! da, ce anume?

42. Descrie#i pe scurt diferen#ele dintre comutatoarele cu memorare "i retransmitere "i cele cu cut-through?

43. În ceea ce prive"te cadrele defecte, comutatoarele cu memorare "i retransmitere au un avantaj fata de cele cut-through. Explica#i care sunt acestea.

44. Pentru a pune în func#iune VLAN-uri, este nevoie de tabele de configura#ie în comutatoare "i pun#i. Ce s-ar întâmpla daca VLAN-urile din fig. 4-49(a) ar utiliza noduri în loc de mediu parta-jat? Nodurile au nevoie de tabele de configurare? De ce sau de ce nu?

45. În fig. 4-50 comutatorul din domeniul final cu PC îmb!trânite, figurat în dreapta este un comu-tator preg!tit pentru VLAN. Este posibil! utilizarea unui comutator vechi în acest caz? Dac! da, cum va func#iona acesta? Dac! nu, de ce?

46. Scrie#i un program care s! simuleze comportamentul protocolului CSMA/CD în Ethernet când exista N sta#ii preg!tite sa transmit! în timp ce se transmite un cadru. Programul vostru trebuie s! prezinte timpii când fiecare sta#ie începe sa transmit! cu succes cadrul. Presupune#i c! un tact de ceas apare odat! la fiecare cuant! de timp (5 ,2 microsecunde) "i o detec#ie de coliziune "i o secven#! de bruiaj dureaz! o cuant! de timp. Toate cadrele sunt de dimensiune maxim! admis!.

subnivelul de acces la mediu - digital.ubm.rodigital.ubm.ro/?download=computer networks cap...

Documents