HARDWARE-UL RETELEI

HARDWARE-UL RETELEI

A venit acum timpul sa ne indreptam atentia de la aplicatiile si problemele sociale ale interconectarii la aspectele tehnice care intervin in proiectarea retelelor. Desi nu exista o taxonomie general acceptata in care pot fi incadrate toate retelele de calculatoare, sunt extrem de importante doua criterii: tehnologia de transmisie si scara la care opereaza reteaua. Vom examina pe rand fiecare din aceste aspecte.

in principal exista doua tipuri de tehnoiogii de transmisie:

Retele cu difuzare.

Retele punct-la-punct.

Retelele cu difazare au un singur canal de comunicatii care este partajat de toate masinile din retea. Orice masina poate trimite mesaje scurte, numite in anumite contexte pachete, care sunt primite de toate celelaite masini. Un camp de adresa din pachet specifica masina careia ii este adresat pachetul. La receptionarea unui pachet, o masina controleaza campul de adresa. Daca pachetul ii este adresat, masina II prelucreaza; daca este trimis pentm o alta masina, pachetul este ignorat.

Sa consideram, ca analogie, ca cineva se afia la capatul unui coridor cu multe incaperi si striga ,,Watson, vino aici: Am nevoie de tine.' Desi pachetul poate fi primit (auzit) de multa lume, numai Watson va raspunde. Ceilalti pur si simplu 51 ignora. Un alt exemplu ar fi un aeroport unde se anunta ca toti pasagerii zborului 644 sunt rugati sa se prezinte la poarta 12.

Distanfa Tntre Procesoare situate Exempiu
procesoare Tn aceeasi

PiacS de circuite j MasinS de tip flux de date
Sistem Muiticaiculator

10 m

Camera

100 m

CiSdire

Retea iocaiS

1 km

Campus

10 km

Oras

Retea metropoiitana

100 km

1,000 km

10,000 km

TarS

Continent

Planets

Retea de larga raspandire geografica

intern et-ul

Fig. 1-2. Clasificarea procesoarelor interconectate in functie de distanta.

Sistemele cu difuzare permit in general si adresarea unui pachet catre toate destinatiile, prin folosirea unui cod special in campul de adresa. Un pachet transmis cu acest cod este primit si prelucrat de toate masinile din retea. Acest mod de operare se numeste difuzare. Unele sisteme cu difuzare suporta de asemenea transmisia la un subset de masini, operatie cunoscuta sub numele de trimitere multipla. Una din schemele posibile este sa se rezerve un bit pentru a indica trimiterea multipla. Restul de n -1 biti de adresa pot forma un numar de grup. O masina se poate ,,abona' la orice grup sau la toate grupuiile. Un pachet trimis unui anumit grup va ajunge la toate masinile abonate la grupul respectiv.

Prin contrast, retelele pimct-la-pimct dispun de numeroase conexiuni intre perechi de masini individuale. Pentru a ajunge de la sursa la destinatie pe o retea de acest tip, un pachet s-ar putea sa fie nevoit sa treaca prin una sau mai multe masini intermediare. Deseori sunt posibile trasee multiple, de diferite lungimi, de aceea algoritmii de dirijare joaca in retelele punct-la-punct un rol important. Ca o regula generala (desi exista numeroase exceptii), retelele mai mici, localizate geografic, tind sa utilizeze difuzarea, in timp ce retelele mai mari sunt de obicei punct-la-punct.

Un criteriu alternativ pentru clasificarea retelelor este marimea lor. In Fig. 1-2 este prezentata o clasificare a sistemelor cu procesoare multiple dupa marimea lor fizica. Prima categorie o reprezinta masinile de tip flux de date, calculatoare cu grad ridicat de paralelism dispunand de mai multe unitati functionale care lucreaza la acelasi program. Urmeaza apoi multicalculatoarele, sisteme care comunica transmitand mesaje pe magistrale foarte scurte si foarte rapide. Dincolo de multicalculatoare sunt adevaratele retele, calculatoare care comunica prin schimbul de mesaje pe cabluri mai lungi. Acestea pot fi impartite in retele locale, retele metropolitane si retele larg raspandite geografic. In sfarsit, prin conecjareajajdoua sau mai Jiiulte reXele rezulta_o inter-retea. Internet-ul este un exemplu bine cunoscut de inter-retea. Distanta este un criteriu de clasificare important, pentru ca, la scari diferite, sunt folosite tehnici diferite. In aceasta carte ne vom ocupa numai de retelele adevarate si de interconectarea lor. Prezentam mai jos o scurta introduce in subiectul echipamentelor de retea.

Retele locale

Retelele locale (Local Area Networks), denumite in general LAN-uri, sunt retele private localizate intr-o singura cladire sau intr-un campus de eel mult cativa kilometri. Ele sunt frecvent utilizate pentru a conecta calculatoarele personale si statiile de lucru din birourile companiilor si fabricilor, in scopul de a partaja resurse (imprimante, de exemplu) si de a schimba informatii. LAN-urile se disting de alte tipuri de retele prin trei caracteristici: (1) marime, (2) tehnologie de transmisie si (3) topologie.

LAN-urile au dimensiuni restranse, ceea ce inseamna ca timpul de transmisie in cazul eel mai defavorabil este limitat si cunoscut dinainte. Cunoscand aceasta limita, este posibil sa utilizam anumite tehnici de proiectare care altfel nu ar fi fost posibile. Totodata, se simplified administrarea retelei.

LAN-urile utilizeaza frecvent o tehnologie de transmisie care consta dintr-un singur cablu la care sunt atasate toate masinile, asa cum erau odata cablurile telefonice comune in zonele rurale. LAN-urile traditionale functioneaza la viteze cuprinse intre 10 si 100 Mbps, au intarzieri mici (zeci de microsecunde) si produc erori foarte putine. LAN-urile mai noi pot opera la viteze mai mari, pana la sute de megabiti/sec. In aceasta carte yom pastra traditia si vom masura vitezele de transmisie pe linii in megabiti/sec (Mbps), nu in megabytes/sec (MB/sec). Un megabit reprezinta 1,000,000 biti, nu 1,048,576 (2³⁰) biti.

-Calculator

'Cablu

Calculator

(a)

(b)

Fig. 1-3. Doua reteie cu difuzare. (a) Magistrala. (b) Inel.

Pentru LAN-urile cu difuzare sunt posibile diverse topologii^ Figura 1-3 prezinta doua dintre ele. Intr-o retea cu magistrala (cu cablu liniar), in fiecare moment una dintre masini este master si are dreptul sa transmita. Restul masinilor nu pot transmite. Cand doua sau mai multe masini vor sa transmits simultan, este necesar un mecanism de arbitrare. Mecanismul de arbitrare poate fi

centralizat sau distribuit. De exemplu, IEEE 802.3, popular num'ita Ethernet , este o retea cu difuzare bazata pe magistrala cu control descentralizat, lucrand la 10 sau 100 Mbps. Calculatoarele dintr-un Ethernet pot transmite oricand doresc; daca doua sau mai multe pachete se ciocnesc, fiecare calculator asteapta o perioada de timp aleatorie si apoi incearca din nou.

Un al doilea tip de retea cu difuzare este reteaua in inel. intr-un inel fiecare bit se propaga independent de ceilalti, fara sa astepte restul pachetului caruia ii apartine. In mod tipic, fiecare bit navigheaza pe .circumferinta intregului inel intr-un interval de timp in care se transmit doar cativa biti, de multe ori inainte chiar ca intregul pachet sa fi fost transmis. Ca in orice alt sistem cu difuzare, este nevoie de o regula pentru a arbitra accesele simultane la inel. Pentru aceasta se utilizeaza diferite metode, care vor fi discutate in carte mai tarziu. IEEE 802.5 (inelul cu jeton de la IBM) este un LAN popular de tip inel, care opereaza la 4 si la 16 Mbps.

Retelele cu difuzare pot fi in continuare impartite instatice si dinamice, in functie de modul de alocare al canalului. O metoda tipica de alocare statica ar fi sa divizam timpul in intervale discrete si sa rulam un algoritm round-robin, lasand fiecare masina sa emita numai atunci cand ii vine randul. Alocarea statica iroseste capacitatea canalului atunci cand o masina nu are nimic de transmis in cuanta de timp care i-a fost alocata, astfel ca majoritatea sistemelor incearca sa aloce canalul dinamic (la cerere).

Metodele de alocare dinamica pentru un canal comun sunt fie centralizate, fie descentralizate. In cazul metodei centralizate de alocare a canalului exista o singura entitate, de pilda o unitate de arbitrare a magistralei, care determina cine urmeaza la rand. Poate face acest lucru acceptand cereri si luand o decizie conform unui algoritm intern, in cazul metodei descentralizate de alocare a canalului nu exista o entitate centrala; fiecare masina trebuie sa hotarasca pentru ea insasi daca sa transmita sau nu. S-ar putea crede ca in acest fel se ajunge totdeauna la haos, dar iucmrile nu stau asa. Vom studia mai tarziu numerosi algoritmi proiectati sa refaca ordinea dintr-un potential haos.

Celalalt tip de LAN-uri este construit cu linii punct-la-punct. Liniile individuale ieaga o masina

specificata cu o aita masina specificata. Un astfel de LAN reprezinta o retea larg raspandita geografic in miniatura. Vom vedea aceste retele ceva mai tarziu.

Retele metropolitane

O retea metropolitans! (Metropolitan Area Network), sau MAN (plural: MAN-uri, nu MEN') este, in linii mari, o versiune extinsa de LAN' si utiiizeaza In mod normal tehoologii similare cu aceasta. O retea metropolitan^ se poate intinde pe zona ocupata de un grup de birouri invecinate sau pe suprafata unui intreg oras si poate fi atat privata cat si publica, Un MAN poate suporta atat date cat si voce si poate chiar sa aiba legaturi cu reteaua locala de televiziune prin cablu. Un MAN' dispune numai de un cablu sau doua, fara sa contina elemente de comutare care deviaza pachetele pe una din cele cateva posibile linii de iesire. Nefiind necesara comutarea, proiectarea este mai simpla.

Motivul principal pentru care MAN-urile figureaza ca o categoric speciala consta in adoptarea unui standard specific, standard care este acum implementat. Acesta se numeste DQDB (Distributed Queue Deal Bus - magistrala duala cu coada distribuita) sau. pentru cei care prefera numerele, 802.6 (numarul standardului IEEE care o defineste). DQDB consta din doua magistrate (cabluri) unidirectionale la care sunt conectate toate calcuiatoareie, asa cum este aratat in Fig. 1-4. Fiecare magistrala are un capat de distributie (head-end) - un dispozitiv care initiaza activitatea de transmisie. Traficul destinat unui calculator din dreapta transmitatorului foloseste magistrala de sus. Traficul catre utilizatorii din stanga foloseste magistrala de jos.

Sensu! fluxufui pe magistrala A

Magistrals B

■< Sensu! fluxuiui pe magistrala B

Fig. 1-4. Arhitectura retelei metropolitane DQDB

Un aspect cheie pentru un MAN este prezenta unui mediu de difuzare (in caztil lui 802.6, doua cabluri) la care sunt atasate toate calcuiatoareie. Acesta simplified mult proiectarea in comparatie cu alte tipuri de retele. Vom discuta mai detaliat DQDB in Cap. 4.

Retele larg raspandite geografic

O retea larg raspandita geografic (Wide Area Network), sau WAN, acopera o arie geografica intinsa - deseori o tara sau un continent intreg. Reteauacontine o colectie de masini utilizate pentru a executa programele utilizatorilor (adica aplicatii). in concordanta cu termenul uzual, vom numi aceste masini gazde. Uneori este folosit in literature termenul de sistem final. Gazdele sunt conectate printr-o subretea de comunicatie sau, pe scurt, subretea. Sarcina subretelei este sa transporte mesajele de la gazda la gazda, exact asa cum sistemul telefonic transmite cuvinteie de la vorbitor la ascultator. Prin separarea aspectelor de pura comunicatie ale retelei (subretelei) de aspectele referitoare la aplicatii (gazde), proiectarea intregii retele se simplified mult.

In majoritatea retelelor larg raspandite geografic, subreteaua este formata din doua componente distincte: liniile de transmisie si elementele de comutare. Liniile de transmisie (numite si circuite, canale, sau truncbiuri) transporta bitii intre masini.

Elementele de comutare sunt calculatoare specializate, folosite pentru a conecta doua sau mai multe linii de transmisie. Cand sosesc date pe o anumita linie, elementul de comutare trebuie sa aleaga o noua linie pentru a retransmite datele mai departe. Din pacate, nu exista nici o terminologie standard pentru denumirea acestor calculatoare. Folosind diversi termeni, ele pot fi numite, de exemplu, eoderi de comutare a pachetelor, sisteme iatermediare, sau comutataare de date. Noi vom folosi ca termen generic pentru aceste calculatoare de comutare cuvantul rater., Cititorul trebuie sa stie, totusi, ca nu exista un consens asupra terminologiei. Conform acestui model, prezentat in Fig. 1-5, fiecare gazda este in general conf ctata la un LAN in care exista un rater, in anumite cazuri, insa, o gazda poate fi legata direct cu un ruter. Colectia de linii de comunicatie si de rutere (dar nu si gazdele) formeaza subreteaua.

Subretea

Ruter

Fig. 1-5. Relatia dintre gazde si subretea.

Merita sa facem o scurta divagatie in jurul termenului de ,,subretea'. Initial, singura sa acceptiune se referea la colectia ruterelor si liniilor de comunicatie care mutau pachetele de la gazda sursa la gazda destinatie. Totusi, cativa ani mai tarziu, cuvantul a mai capatat un al doilea inteles, in conjunctie cu adresarea retelelor (pe care o vom discuta in Cap. 5). De aceea, termenul contine o anumita ambiguitate. Din nefericire, nu exista o altemativa larg acceptata pentru intelesul

Uneori ruterele sunt conectate la o retea punct-la-punct si numai unele dintre ele au antene de satelit. Retelele de sateliti sunt in mod inerent retele cu difuzare si se utilizeaza mai ales atunci cand proprietatea de difuzare este importanta.

Retele radio

Calculatoarele mobile, asa cum sunt blocnotesurile sau asistentii personal! digitali (PDA-urile), reprezinta segmentul din industria tehnicii de calcul cu dezvoltarea cea mai rapida. Multi posesori ai acestor calculatoare au la birou sisteme legate la LAN-uri si WAN-uri si vor sa se conecteze la acestea, chiar si atunci cand se afla in locuri departate de casa sau pe drum. Deoarece legaturile prin fir sunt imposibile in masini si avioane, interesul pentru retelele radio este foarte puternic. In aceasta sectiune vom face o scurta introducere in acest subiect. (Nota: prin sectiune intelegem portiunile din carte notate printr-un numar cu trei cifre, de genul 1.2.4)

Comunicatiile digitale fara fir nu reprezinta, de fapt, o idee noua. Inca din 1901, fizicianul italian Guglielmo Marconi a realizat legatura intre un vapor si un punct de pe coasta folosind telegraful fara fir si codul Morse (punctele si liniile sunt, in definitiv, binare). Sistemele radio moderne au performance mai bune, dar ideea fundamentals a ramas aceeasi. Informatii suplimentare despre aceste sisteme pot fi gasite in (Grag si Wilkes, 1996; si Pahlavan s.a., 1995).

Retelele radio au numeroase utilizari. Biroul portabil reprezinta una dintre ele. Oamenii afiati pe drum doresc adesea sa foloseasca echipamentele lor electronice portabile pentru a trimite si primi faxuri si posta electronica, pentru a citi fisiere aflate la distanta, pentru a se conecta la distanta si asa mai departe. Si doresc sa faca asa ceva din orice loc de pe uscat, apa sau aer.

Retelele radio sunt de mare importanta pentru parcurile de camioane, taxiuri si autobuze, ca si pentru echipele de interventie care trebuie sa mentina contactul cu baza. Retelele radio pot fi de asemenea utile pentru echipele de interventie in locuri de dezastru (incendii, inundatii, cutremure etc.) unde sistemul telefonic a fost distrus. Calculatoarele aduse la fata locului pot sa trimita mesaje, sa inregistreze informatii si asa mai departe.

In sfarsit, retelele radio sunt importante pentru armata. Daca trebuie sa faci fata in eel mai scurt timp unui razboi care se poate desfasura oriunde in lume, atunci probabil ca nu este o idee buna sa te bazezi pe infrastructura de retele existenta la fata locului. Este mai bine sa-ti aduci propria retea.

Fig. 1-7. Combinatii de retele fara fir si tehnica de calcul mobila.

Desi retelele fara fir si echipamentele de calcul mobile sunt adesea inrudite, ele nu sunt identice (a se vedea Fig. 1-7). Calculatoarele portabile comunica uneori cu ajutorul firelor. Daca intr-un hotel un turist racordeaza un calculator mobil la mufa de telefon, acesta este un exemplu de mobilitate fara retea radio. Un alt exemplu se refera la o persoana care poarta cu sine un calculator mobil in timp ce inspecteaza, pentru probleme tehnice, un tren. in acest caz, in spatele calculatorului poate foarte bine sa atarne un fir lung (ca la aspirator).

Pe de alta parte, unele calculatoare fara fir nu sunt portabile. Un exemplu important de acest tip se refera la o firma care poseda o cladire mai veche, fara retele de cabluri instalate, si care doreste sa isi conecteze calculatoarele, Instalarea unui LAN fara fir poate sa nu necesite mare lucru, in afara de cumpararea unei mici cutii cu componente electronice si de montarea unor antene. Aceasta solutie poate fi mai putin costisitoare decat instalarea cablurilor in cladire.

Desi LAN-urile fara fir sunt usor de instalat, ele au si unele dezavantaje. Capacitatea lor tipica este de 1-2'Mbps, ceea ce este mult mai putin decat in cazul LAN-urilor cu fir. De asemenea, rata de erori este adesea mai mare, iar transmisiile intre diferite calculatoare pot interfera unele cu altele.

Dar exista, desigur, si aplicatii cu adevarat mobile, fara fir, incepand cu biroul portabil si terminand cu persoanele care fac inventarul uriui magazin folosind PDA-uri. In multe aeroporturi aglomerate, angajatii companiilor de mchiriat masirii lucreaza in parcari cu calculatoare portabile fara fir. Ei introduc in calculator numarul de inmatriculare al fiecarei masini returnate, iar portabilele lor, care au inglobata o imprimanta, apeleaza calculatonil central, primesc informatii despre uichirierea respectivei masini si elibereaza factura de plata pe loc. Aplicatii autentice ale tehnicii de calcul mobile sunt discutate mai pe larg in (Forman si Zahorjan, 1994).

Retelele fara fir exista in multe forme. Unele universitati instaleaza deja in campusuri antene care permit studentilor sa stea sub copaci si sa consulte cataloagele bibliotecilor. in acest caz, calculatoarele comunica cu LAN-urile fara fir direct in forma digitala. O alta posibilitate este utilizarea unui telefon celular (adica portabil), impreuna cu un modem analogic traditional. In numeroase orase sunt aeum disponibile serviciile celulare digitale directe, ntimite CDPD (Cellular Digital Packet Data - pachete de date celulare digitale). Vom studia aceste servicii in Cap. 4.

'v / ' T'^ ^< Calculator ' - i*' ^ ^LAN

rM a* x * . t ■ J-^^^ ^ portabil l_^*-^ . cablat

O legSturS telefonrcS j

pentru fiecare calculator

(a) (b)

Fig. 1-8. (a) Calculatoare mobile individuate, (b) Un LAN zburator.

In sfarsit, este posibil sa avem diverse combinatii de retele cu si fara fir. De exemplu, in Fig. 1-8(a) este desenat un avion in care mai multi pasageri folosesc modemuri si telefoane pentru a suna la birou. Fiecare convorbire este independenta de celelalte. O optiune mult mai eficienta este, insa, LAN-ul zburator din Fig. l-8(b). In acest caz, fiecare scaun este echipat cu un conector Ethernet, la care pasagerii pot sa-si racordeze calculatoarele. La bordul ayionului exista un singur rutei?. Acesta mentine in fiecare moment o legatura radio cu un ruter aflat la sol, ruter care se schimba pe parcursul zborului. Configuratia respectiva' nu reprezinta altceva decat un LAN traditional, cu deosebirea ca legatura sa cu lumea exterioara este asigurata de o conexiune radio in loc de o linie fizica.

Multa lume crede despre calculatoarele portabile fara fir ca reprezinta valul viitorului. Dar, in aceiasi timp, s-a facut auzita eel putin o parere contrara. Bob Metcalfe, inventatorul Ethernet-ului, a scris urmatoarele: ,,Calculatoarele mobile fara fir sunt ca baile mobile fara tevi - niste olite de noapte portabile. Ele vor fi ceva comun in vehicule, pe santiere si la concerte rock. Sfatul meu este sa va racordati cabluri in casa si sa ramaneti acoio' (Metcalfe, 1995). Vor urma cei mai multi sfatul lui Metcalfe? Timpul ne va raspunde.

in lume exista multe retele, cu echipamente si programe diverse. Persoanele conectate la o anumita retea doresc adesea sa comunice cu persoane racordate la alta. Aceasta cerinta impune conectarea unor retele diferite, de multe ori incompatibile, ceea ce uneori se reaiizeaza utilizand masini numite port! (gateways). Acestea reaiizeaza conectarea si asigura translatarile necesare, atat in termeni de hardware cat si de software. O coiectie de retele interconectate este numita inter-retea sau internet.

O forma comuna de inter-retea este o coiectie de LAN-uri conectate printr-un WAN. De fapt, daca. am inlocui eticheta ,,subretea' din Fig. 1-5 prin ,,WAN', in figura nu ar mai trebui schimbat nimic altceva. In acest caz, singura diferenta reala intre o subretea si un WAN se refera la prezenta gazdelor. Daca sistemul din interiorul curbei inchise contine numai rutere, atunci este o subretea. Daca el contine atat rutere, cat si gazde cu utilizatori proprii, atunci este un WAN.

Pentra a evita confuziile, luati va rog nota ca termenul ^internet' va fi totdeauna folosit in aceasta carte intr-un sens generic. Prin contrast, Internet-ul (a se remarca folosirea lui I mare) reprezinta un internet mondial specific, care este utilizat pe larg pentru a conecta universitati, birouri guvernameritale, firme si, in ultima vreme, persoane particulare. Vom avea multe de spus in aceasta carte atat despre internet cat si despre Internet.

Deseori se produc confuzii intre subretele, retele si inter-retele. Termenul de subretea este mai potrivit in contextul unei retele larg raspandite geografic, unde se refera la colectia de rutere si linii de comunicatie aflate in proprietatea operatorului de retea - de exemplu, o firma ca America Online sau CompuServe. Ca o analogie, sistemul telefonic consta din centrale telefonice de comutare, care sunt conectate intre ele prin linii de mare viteza si sunt legate la domicilii si birouri prin linii de viteza scazuta. Aceste linii si echipamente, detinute si intretinute de catre compania telefonica, formeaza subreteaua sistemului telefonic. Telefoanele propriu-zise (care corespund in aceasta analogie gazdelor) nu sunt o parte a subretelei. Combinatia dintre o subretea si gazdele sale formeaza o retea. in cazui unui LAN, reteaua este formata din cablu si gazde. Aici nu exista cu adevarat o subretea.

O inter-retea se formeaza atunci cand se leaga intre ele retele diferite. Din punctul nostru de vedere, legarea' unui LAN si a unui WAN sau legarea a doua LAN-uri formeaza o inter-retea, dar nu exista un consens asupra terminologiei din acest domeniu.