Retele de calculatoare

 Retelele de calculatoare se impun in locurile unde se necesita comunicarea datelor intre sisteme de calcul sau posibilitatea corelarii datelor provenite de la calculatoare independente. Cea mai importanta caracteristica este impartirea surselor, adica accesul la programe, date si echipamente, pentru fiecare utilizator, indiferent de locul unde se afla. Un alt avantaj al retelelor este posibilitatea accesului simultan, prin duplicarea fitierelor. Dupa distanta la care sint distribuite componentele, putem distinge:

 - retele locale (LAN) - de la 10 m la 1 km;

 - retele teritoriale (WAN);

 - superretea (Internetworking) - reteaua care leaga mai multe retele teritoriale.

 Retelele locale sint acele sisteme la care timpul de propagare a semnalelor, comparativ cu durata de transmisie a unui singur bit, este mai mare, iar comparativ cu durata tipica a unui mesaj, este mai mica. Sint independente de sistemele publice de telecomunicatie existente, si pot folosi medii de comunicatii private. Mediile de transmisie asigura o rata de eroare foarte redusa. Nu au comutatoare de pachete, insa fiecare element de prelucrare va poseda o interfata de retea. La aceasta interfata pot fi conectate terminale inteligente, calculatoare personale, micro- si minicalculatoare. Retelele locale trebuie concepute intr-un mod care permite interconectarea cu retelele teritoriale.

 Retelele teritoriale utilizeaza un subsitem de comunicatie, deci functiile de comunicatie sint fizic separate de cele de prelucrare, si sint implementate ca noduri de comunicatie interconectate. Comunicatia se bazeaza pe tehnica comutarii de pachete care asigura partajarea eficienta a resurselor de comunicatie. Fiecare mesaj se imparte in pachete care se transmit independent. Un pachet trebuie sa contina suficiente informatii de control, ca dirijarea sa prin retea sa se realizeze independent de celelalte pachete. Rolul nodurilor este gestionarea si realizarea rutei pentru fluxul de pachete.

 Dorinta de a realizara o superretea la care sint conectate toate calculatoarele existente a aparut in anii '80. In cadrul ei, retelele teritoriale sint legate prin satelite.

 Retelele de calculatoare au fost concepute intr-o maniera stratificata ierarhic, ca o succesiune de nivele. Sub egida ISO s-a elaborat Modelul de Referinta pentru interconectarea Sistemelor Deschise. Obiectivele de baza ale acestui model sint legate doar de comportamentul extern al sistemelor interconectate, caracterul deschis al unui sistem nu este legat de organizarea particulara si functionarea interna specifica sistemului, doar de schimbul de informatii si de cooperarea dintre sistemele interconectate. A fost conceput pentru retele teritoriale, dar se aplica, cu anumite particularitati, retelelor locale.

 Doua principii esentiale stau la baza conceptului de arhitectura stratificata:

 - valorificarea serviciilor asigurate de nivelurile inferioare pentru fiecare nivel, astfel incit celui mai inalt nivel sa-i fie oferit setul de servicii necesare pentru realizarea unei aplicatii distribuite;

 - asigurarea independentei fiecarui nivel, prin definirea serviciilor catre nivelul urmator, independent de modul de realizare a acestora.

 Nivelul este compus conceptual din subsistemele de acelasi rang ale tuturor sistemelor interconectate. Se utilizeaza termenul de protocol pentru desemnarea comunicatiei dintre entitatile apartinind aceluiasi nivel, si cel de interfata pentru comunicatia dintre nivele la aceasi entitate. Detaliile unei interfete reprezinta in general o optiune locala de implementare. Nivelele trebuie astfel concepute ca fluxul de date prin interfete sa fie minim, si schimbarea implementarii unui nivel sa nu afecteze si interfata. Un nivel poate lipsi dintr-un sistem in intregime, daca functiile lui nu sint folosite.

 Modelul de referinta OSI descrie sapte nivele functionale, care, impreuna cu mediul fizic, asigura un set complet de servicii de comunicatie.

 Aceasta arhitectura poate fi conceputa ca fiind compusa din doua parti diferite:

 - partea de suport (1, 2, 3);

 - partea de utilizator (5, 6, 7).

 Cele doua parti sint separate de nivelul de transport, care are rolul de a ascunde detaliile constructive ale comunicatiei.

 Nivelul fizic asigura mijloacele mecanice, electrice functionale si procedurale pentru accesul la mediul fizic. Totodata realizeaza transmisia la nivel de bit al informatiei. Problemele caracteristice ale nivelului sint: codificarea informatiei, modul de transmisie, cuplarea- decuplarea echipamentelor, nivelul semnalelor, modul de conexie si configuratia pinilor.

 Legatura de date, prin organizarea bitilor in blocuri, asigura posibilitatea detectarii si corectarii erorilor care apar la nivel fizic. Cuprinde facilitatile de sincronizare pentru comunicatii semiduplex si duplex.

 Nivelul de retea se preocupa de dirijare mesajelor intre doua noduri intermediare folosind blocuri speciale de control, care contine adresa destinatiei. Acest nivel va alege ruta pe care informatia va ajunge la destinatie si va adauga adresele nodurilor intermediare.

 Nivelul transport realizeaza transferul datelor de la sursa la destinatie pe ruta stabilita de nivelul precedent cu o integritate ridicata. Se utilizeaza protocoale bazate pe confirmare, care implica transmisia, retransmisia si recuperarea datelor eronate. Transportul este de la cap la cap, programul de pe calculatorul sursa conversind cu un program similar de pe calculatorul destinatie. La acest nivel canalelor logice se asociaza adrese fizice.

 Nivelul sesiune permite legarea utilizatorului la un calculator central care lucreaza cu divizarea timpului (time sharing) si transmiterea fisierelor prin functiile de stabilire si eliberare de conexiuni, sincronizare, raportare intrerupere. Pentru a evita repetarea intregului transfer in caz de eroare, insereaza periodic puncte de control de la care poate fi reluata transmisia.

 Nivelul de prezentare are rolul de a elibera aplicatiile de diferentele existente in reprezentarea datelor. Asigura totodata codificarea datelor intr-un standard corespunzator aplicatiei. In cazul in care la transmisie se folosesc date comprimate pentru a reduce timpul de transfer, acest nivel rezolva comprimarea si decomprimarea datelor.

 Nivelul aplicatie permite functionarea concurenta a proceselor in vederea realizarii unui obiectiv definit de utilizator, fara ca acesta sa cunoasca locul unde se afla procesele. Functiile asigurate de acest nivel sint: lansarea programelor, vizualizarea si transferul fisierelor de pe intregul sistem, posta electronica (E-mail).

 

---

Retele locale (LAN)

 In comparatie cu modelul de referinta, retelele locale au urmatoarele particularitati:

 - la legatura de date exista un singur canal fizic de comunicatie, care este cerut si eliberat in mod dinamic de catre elementele interconectate, folosind un protocol de acces multiplu la canal;

 - nivelul retea este optionala, pentru ca nu exista probleme de rutare - ea poate fi folosita pentru comunicatii inter-retea;

 Factorii de care se tine cont la alegerea unui LAN potrivit: numarul de puncte care trebuie conectate, aria fizica acoperita si distanta maxima dintre puncte, posibilitatea de extindere a retelei, performantele dorite, siguranta si securitatea datelor, posibilitatea de comunicare in afara retelei. Reteaua locala, in general, este realizata pe baza urmatoarelor elemente hardware: mediul fizic de transmisie, setul de mecanisme de acces si transmisie pe mediu, interfata de retea.

 Interfata de retea trebuie sa functioneze in paralel cu elemetul de prelucrare gazda. Elementele de prelucrare sint toal indepedente de schema de interconectare. Elementele pasive (imprimante, scannere etc.) conectate in retea sint asociate pe o anumita cale cu elementele active. Comunicatiile cu elemetele pasive vor avea loc prin intermediul elementelor gazda asociate.

 Este necesar adoptarea unei proceduri administrative, care sa permita gestiunea alocarii de adrese la dispozitivele conectate in retea. Cea mai simpla metoda de a aloca adrese unice globale este cea a partitionarii spatiului de adrese pe blocuri. Adresarea de grup sau multipla permite trimiterea mesajelor sau a pachetelor la mai multe destinatii. Alocarea dinamica asigura o adresare flexibila, si nu cere implicarea utilizatorului.

 Cai fizice, topologii de baza

 Calea multipunct globala conduce la o topologie de tip magistrala, si permite conectarea unui nod simultan cu toate celelalte. Poate fi bidirectionala (fig. 7.2. a) sau unidirectionala (fig. 7.2. b). Prima este realizata cu un singur cablu coaxial, prevazut cu conectori de cuplare bidirectionali. Buna functionare a retelei este conditionata de respectarea lungimilor derivatiilor si a spatiilor ce le separa, pentru a evita pierderile si reflexiile de semnal. In cazul celei de a doua, emisia fiecarui nod este conectata la una dintre ramurile topologiei, numita si canal de emisie, iar receptia la cealalta ramura, denumita si canal de receptie. Reflexiile de semnal, datorata dezadaptarii de impedanta, vor sosi la nivelul receptorilor cu o amplitudine neglijabila. Acest tip va permite tolerarea unor defecte de cablu si de conector, cit si extragerea unui nod din retea.

 In cazul topologiei de tip inel (fig. 7.2. c), fiecare nod este legat la doua noduri vecine, in scopul constituirii unui inel unidirectional. Fiecare nod poate actiona ca un simplu repetor al informatiei sau ca emitator activ. Reduce timpii de acces, dar defectarea unui element conduce la caderea retelei. Metodele de evitare sint utilizarea liniilor punct la punct redunante sau folosirea unui inel de rezerva.

 Topologia de tip stea (fig. 7.2. d), format din cai punct la punct, realizeaza conexiuni unice intre perechi de noduri. Necesita implementarea unor strategii de rutare (nodul central).

 

 Protocoale de comunicatie pentru retele locale in inel

 Permisiunea de a utiliza inelul de transmise este transferata secvential si unidirectional de la un nod la altul.

 Metoda dreptului de control circulant (token passing) consta in utilizarea unei combinatii specifice de biti (jeton de control sau token) identificata de retea, care in absenta traficului circula continuu pe inel. Posesorul jetonului are acces la inel. Daca nu are nimic de transmis, trimite mai departe jetonul; in caz contrar, jetonului i se anexeaza mesajul. Inlaturarea mesajului de pe inel se realizeaza de nodul sursa (cel care a transmis mesajul), care in acest moment verifica identitatea datelor trimise cu cele sosite. Poate fi realizat cu un singur mesaj sau cu tren de mesaje. O situatie particulara apare la pornirea sistemului, sau la alterarea jetonului, cind fiecare nod va asculta inelul pe o durata proprie, dupa care prima dintre ele va genera un jeton.

 Metoda accesului prin competitie se deosebeste de metoda dreptului circulant prin lipsa jetonului cind nu exista trafic in retea. In cazul in care o statie are de transmis, verifica daca in momentul respectiv trece sau nu un mesaj in fata lui. Daca nu, transmite mesajul si un jeton la sfirsitul acestuia. Cind mesajul revine la statia sursa, se va inlatura impreuna cu jetonul. Daca statia observa existenta unui trafic, asteapta receptionarea jetonului pe care o va transforma in conector de pachete, si insereaza pachetul propriu.

 Metoda containerului gol urmareste inbunatatirea utilizarii inelului prin divizarea benzii de trecere a canalului disponibil intr-un numar intreg de secvente de biti de lungime fixa (denumite container), delimitate intre ele. Containerele sint permanent circulate unidirectional pe inel, si in ele pot fi plasate pachete de date impreuna cu adresa de destinatie. Un bit de control al containerului indica starea de ocupat sau gol al acestuia. Un mesaj va fi impartit in pachete de lungimea unui container, astfel diferitele portiuni ale inelului vor transmite pachetele aceluiasi mesaj. Destinatarul unui pachet extrage pachetul, si marcheaza containerul ca fiind gol, el putind fi utilizat deja de nodul curent. Aceasta tehnica poate conduce la dominarea inelului de anumite noduri (dialog intre doua noduri). Pentru a avita aceasta deficienta, se utilizeaza doua tehnici: primul consta in copierea continutului la destinatie, iar marcarea containerului va fi realizat de un nod special, numit controler de inel; al doilea realizeaza copierea continutului la destinatie, dar containerul se elibereaza la sursa.

 Metoda insertiei de registru realizeaza incarcarea mesajului care trebuie transmis intr-un registru de deplasare de lungime variabila. Acest registru este localizat in interfata de inel, si are posibilitatea de a fi conectat in serie cu inelul, fiind parcurs de traficul curent din retea. Cind un nod al retelei are un mesaj de transmis, acesta va fi incarcat in registrul de transmisie (TSR) din interfata proprie, care se va insera in retea doar cind inelul de transmisie este liber (poz. 2 a comutatorului). Mesajul este circulat in retea; in acest timp orice alt mesaj care soseste este intirziat, si inscris in registrul de receptie (RSR). Dupa transmiterea mesajului propriu, se comuta la registrul de receptie (poz. 3), pina cind si acesta va fi golit, dupa care se reface configuratia initiala a inelului (poz. 1).

 Un nou mesaj poate fi transmis de acelasi nod numai dupa golirea celor doua registre.

 Protocoale de comunicatie pentru retele locale cu magistrala de difuzare

 Sint caracterizate de necesitatea alocarii unei resurse unice (canal de comunicare) la o multitudine de surse de mesaje. Competitia din interiorul acestor sisteme este provocata nu numai de natura lor aleatoare, ci si de imposibilitatea utilizatorilor de a se observa reciproc pe masura aparitiei cererilor de utilizare. Informatia de control trebuie transferata pe acelasi canal cu informatia propriu-zisa.

 Exista doua tipuri de strategii:

 - strategii cu competitie (cu acces aleator);

 - strategii cu consultare (acces fara coliziuni).

 In cadrul strategiilor cu competitie apar doua probleme: rezolvarea coliziunilor (prin tehnicile adaptive si neadaptive) si controlul accesului (prin tehnicile "transmite surd", "asculta si transmite", "asculta, transmite si asculta transmisia").

 Daca fiecare nod implicat ar fi capabil sa aleaga un moment de retransmisie care sa difere de momentele alese de ceilalti, problema coliziunilor ar fi simplificata.

 Tehnicile neadaptive nu tin cont de traficul curent in retea, planificarea intirzierilor fiind fixe. Sint adecvate numai in sisteme cu numar redus de surse.

 In cazul tehnicilor adaptive, fiecare utilizator blocat intr-o coliziune incearca sa evalueze numarul utilizatorilor blocati in retea, si sa ajusteze rata de retransmisie in mod corespunzator. De obicei, acest lucru se realizeaza cu ajutorul unui controler unic de retea.

 Tehnica "trasmite surd" (ALOHA) asigura transmiterea pachetului in momentul generarii sale, fara nici o restrictie. Sursa trebuie sa astepte un interval de timp prestabilit sosirea confirmarii receptiei. In cazul lipsei confirmarii, se va retransmite tot mesajul. Coliziunea care ar afecta cea mai mica fractiune din timpul de transmisie, va avea acelasi efect ca o interferenta completa de pachete. Prin urmare, timpul maxim nefolosit din cauza coliziunilor este de doua ori timpul de transmisie. Aceasta tehnica este inbunatatita prin discretizarea timpului. Alegerea momentelor de acces la canal nu va fi total asincron. O cuanta de timp este egala cu durata de transmisie a unui pachet.

 Prin tehnica "asculta si transmite" (CSMA) s-a realizat ascultarea canalului inainte de transmisie de fiecare sursa. Daca sursa detecteaza o transmisie in curs, isi va amina propria transmisie pina cind canalul va fi gasit liber. Coliziunea de pachete poate sa apara si in cazul transmisiei pe canalul aparent liber, datorita timpilor de propagare. Tehnica se bazeaza pe ipoteza fundamentala conform careia intirzierea maxima de propagare este mica in raport cu durata maxima de transmisia unui pachet.

 Tehnica "asculta, transmite si asculta transmisia" (CSMA/CD) inbunatateste pe cea precedenta prin detectarea ferma a coliziunilor. Sursa, dupa ce transmite pachetul, asteapta un interval foarte scurt de timp (dependent de intirzierea din sistem), dupa care isi asculta propria transmisie. Daca detecteaza o diferenta intre informatia transmisa si cea receptionata, transmite un mesaj specific de bruiaj, ca toate sursele implicate sa fie informate.

 La strategiile cu consultare se defineste un inel logic dreptul de a transmite pe magistrala se transfera succesiv de la o statie la alta. Inelul logic se refera doar la dreptul de emisie al statiilor, neavind nici un rol la receptia mesajelor. Toate statiile pot sa asculte orice mesaj transmis, dar numai cele care fac parte din inelul logic vor initia transmisii. Daca statia n receptioneaza mesajul "transfer de jeton de la statia n - 1", va considera ca are dreptul la emisie.

 Tipuri caracteristice de retele

 ETHERNET

 Prezinta o structura cu magistrala de difuzare, folosind tehnica "asculta, transmite si asculta transmisia" pentru controlul accesului.

 

 Legaturile se realizeaza prin cablu coaxial cu impedanta de 50 ohmi, si lungimea maxima a segmentului de 500 m, la care sint conectate elementele de prelucrare prin transceiver si controler. Transceiverul are rolul de detectare a purtatoarei si a coliziunilor. In cazul sesizarii coliziunilor, va genera semnalul de bruiaj specific. Transceiverul multiport realizeaza legatura mai multor elemente de prelucrare (maxim 8). Cablul de legatura dintre transceiver si controler nu poate depasi 50 m. Controlerul asigura algoritmii necesari accesului la canal, recunoasterea adreselor, constituirea pachetelor, codificarea si decodificarea datelor, precum si serializarea si deserializarea informatiei. Exista controlere cu procesor si buffer propriu, si variante cu DMA. Sistemul include in mod optional si repetoare, pentru extinderea ariei de intindere a retelei. Permite conectarea a doua segmente adiacente prin intermediul transeiverilor.

 TOKEN RING

 Este o retea extrem de vasta si fiabila, cu topologie hibrida stea-inel, folosind tehnica jetonului circular. Configuratia minimala este alcatuita dintr-un singur inel, realizat din cablu coaxial care leaga interfetele de retea. Numarul maxim de statii pe inel este de 250. Datorita numarului mare de repetari a semnalului circulant, pot apare desincronizari la nivel de bit. Daca nodurile sint distribuite pe distante mari, este preferabil sa se realizeze mai multe inele interconectate prin punti. Puntea este un calculator echipat cu cite o interfata pentru fiecare inel.

 

 Sistemul de operare are ca scop gestiunea resurselor aflate in retea. Cea mai importanta functie a lui este impartirea numelor si adreselor in sistem, asigurind o compatibilitate cu mai multe tipuri de retele si mai multe sisteme de operare. Asigura configurarea si reconfigurare a resurselor, precum si a parametrilor retelei, iar la identificarea unor erori activeaza sau dezactiveaza anumite surse. Functia de monitorizare permite urmarirea evenimentelor din retea.

 Gestiunea securitatii cuprinde controlul accesului (creaza conturi, atribuiri de parole, restrictii la folosirea anumitor statii, determina numarul de statii folosite simultan de un utilizator, eventual timpul maxim de utilizare) si protectia resurselor, care atribuie unui utilizator sau unui grup dreptul de a folosi o resursa sau se aplica un atribut resursei (citire, scriere, creare, cautare).

 Gestiunea fisierelor trebuie sa asigure fiecarui utilizator accesul la toate datele din sistem, indiferent de modul de reprezentare al acestora. La retele locale, uzual, toate datele vor fi pastrate pe un fileserver, care va pastra toate datele din sistem. Acest lucru impune masuri de siguranta in plus. De obicei se dubleaza tabela de directoare, dar exista situatii cind intregul volum de date este dublat.

 Serviciile suplimentare ale retelei sint: transmisia mesajelor electronice, gestiunea contabila, gestiunea listarilor.