Principiile retelelor de calculatoare

- Largimea de banda (bandwidth)

- Modelele pe nivele:

- OSI (Open System Interconnection)

- TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).

Terminologia retelei

Istoria retelelor de calculatoare

Dispozitivele unei retele de calculatoare

- dispozitive end-user : fig 3

- dispozitivele retelei: repetor, hub, bridge, switch, router

Nu exista simboluri standardizate pentru dispozitivele finale in industria retelelor de calculatoare, figura 3. Ele apar similare cu dispozitivele reale pentru o recunoastere rapida.

Dispozitivele retelei sunt utilizate pentru a extinde conexiunea cablurilor, a concentra conexiunile, a converti formatul datelor si administra transferul de date, figura 4, ca exemple mentionam: repetoare, hub-uri, bridges (poduri), switch-uri (comutatoare) si routere.

Repetorul este dispozitivul retelei folosit pentru a regenera semnalul. Repetoarele regenereaza semnalele digitale sau analogice care sunt distorsionare de pierderile transmisiei datorate atenuarii. Un repetor nu ia nici o decizie inteligenta referitoare la retransmiterea pachetelor asa cum face un router sau un bridge.

Hub-rile concentreaza conexiunile. In alte cuvinte, ele iau un grup de gazde si permit retelei sa le vada ca o singura unitate. Acest lucru este facut pasiv, fara nici un efect asupra transmisiei de date. Ele de asemenea regenereaza datele = multiport-repeater.

Bridge-urile (podurile) convertesc formatul datelor si realizeaza un management de baza al datelor. Podurile asigura conectarea LAN-urilor. De asemenea, ele verifica datele pentru a determina daca le permite traversarea podului. Acest lucru face mai eficienta fiecare ramura a retelei – pe baza adresei MAC a placii de retea.

Switch-urile adauga mai multa inteligenta managementului transferului de date. Determina daca data poate ramane intr-un LAN si transfera datele numai catre conexiunea care are nevoie de ea. = multiport – bridge. (pot sau nu converti formatul datelor FO - UTP)

Router-ele au toate capabilitatile enumerate mai sus: pot regenera semnalele, concentra mai multe conexiuni, converti formatul de transmisie a datelor si gestiona transferul datelor. De asemenea se pot conecta la un WAN, ceea ce permite conectarea LAN-urilor aflate la distante mari. Nici un alt tip de dispozitiv nu poate oferi o astfel de conexiune.

Topologia retelelor

Topologia retelei defineste structura acesteia.

- topologia fizica;

- topologia logica

topologii fizice (figura 5):

Bus topology: (topologia bara) foloseste un sigur cablu central (backbone cable) care are terminatori la ambele capete. Toate gazdele se conecteaza la acest cablu central;

Ring topology (topologia Inel): conecteaza o gazda cu urmatoarea gazda, iar pe ultima cu prima. Acest lucru creeaza un inel de cabluri;

Star topology (topologia stea): conecteaza toate cablurile la un punct central;

Extended star topology (topologia stea extinsa): conecteaza stele individuale intre ele prin conectarea hub-urilor sau a switch-urilor;

Hierarchical topology (topologie ierarhica): similara topologiei stea extinsa; dar in loc sa conectam hub-uri sau switch-uri intre ele, sistemul este conectat cu un calculator care controleaza traficul in retea;

Mesh topology (topologia plasa) este implementata pentru a oferi protectie maxima impotriva intreruperii conexiunii. - centrala nucleara

OBS: Cu toate ca Internetul are mai multe cai catre orice destinatie, nu adopta topologia mesh completa.

Topologia logica a retelei determina cum gazdele comunica intre ele de-a lungul mediului.

1. topologia broadcast (difuziune) : retele Ethernet – primul venit primul servit

topologia token passing (jeton trecator): retele Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

Protocoalele retelei

Protocoalele retelei sunt o colectie de reguli care permit comunicarea dintre gazde.

Protocoalele determina:

formatul,

sincronizarea,

ordonarea si

controlul erorilor in transmisia  datelor.

Fara protocoale, calculatoarele nu pot constitui sau reface sirul de biti care vin de la un alt calculator in formatul original.

Figura 6: Protocol de comunicare intre calculatoare.

Protocoalele controleaza toate aspectele ale comunicatiei de date, care includ urmatoarele:

cum este construit mediul fizic;

cum se conecteaza calculatoarele la retea;

cum datele sunt pregatite (formatate)  pentru transmisie;

cum aceste date sunt trimise;

cum sunt tratate erorile.

Aceste reguli ale retelei sunt create si intretinute de diferite organizatii si comitete, cum ar fi:

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE),

American National Standards Institute (ANSI),

Telecommunications Industry Association (TIA),

PROIECT: Notiunile fundamentale ale programarii: algoritm, limbaje de descriere a algoritmilor, program, limbaje de programare PROIECT: Formatul fisierelor .zip

Electronic Industries Alliance (EIA) si

International Telecommunications Union (ITU), cunoscute formal ca CCITT – Comitetul Consultativ International pentru Telefonice si Telegrafie

Clasificarea retelelor dupa intindere

LAN – Local Area Network – Retea Locala

Permit firmelor ca partajeze local fisierele de pe calculatoare, imprimantele si fac posibila comunicarea interna.

Unele din tehnologiile LAN includ urmatoarele: Ethernet, Token Ring, FDDI.

LAN-urile contin: Calculatoare, placi de retea, dispozitive periferice, mediul retelei, dispozitive de retea.

Caracteristicile retelelor locale sunt:

opereaza pe o arie geografica restransa;

permit acces multiplu pe o largime de banda mare;

control al traficului in reteaua privata  sub o administrare locala;

ofera acces permanent la serviciile locale;

conecteaza fizic dispozitivele adiacente.

Dispozitivele folosite sunt: router-e, switch-uri, hub-uri, bridg-uri, repetoare.

WAN – Wide Area Network -

WAN-urile interconecteaza retelele locale de calculatoare, care asigura in acest fel accesul la calculatoare sau servere aflate la distanta mare. Deoarece WAN-urile conecteaza utilizatorii aflati la distante geografice mari, permit firmelor sa comunice pe distante mari. WAN-urile ofera comunicatii instantanee de-a lungul unei arii geografice extinse.

Programele software ofera acces in timp real la informatii si resurse si permit intalniri la distanta. WAN a creat o noua clasa de muncitori, numiti telecommuters; acestia nu-si parasesc niciodata locuinta pentru a pleca la munca.

Retelele WAN sunt proiectata sa faca urmatoarele:

sa opereze peste arii geografice mari si separate;

permit comunicarea in timp real intre utilizatori;

ofera acces permanent de la distanta catre serviciile locale;

ofera: posta electronica, Internet, transfer de fisiere, comert si servicii electronice.

Unele tehnologii WAN includ: modeme, ISDN (Integrated Services Digital Network), DSL (Digital Subscriber Line), Frame Relay, T1, E1, T3 si E3; SONET (Synchronous Optical Network)

MAN – Metropolitan Area Network – Retea metropolitana

O retea metropolitana consta de obicei din doua sau mai multe retele locale aflate intr-o arie geografica comuna. De exemplu, o banca cu mai multe sucursale poate utiliza MAN. Tipic, un furnizor de servicii este folosit pentru a conecta doua sau mai multe LAN-uri utilizand linii de comunicatii private sau fibra optica. De asemenea, o retea MAN poate fi realizata utilizand un bridge wireless prin difuzarea semnalului peste spatiul public.

SAN – Storage-Area Network – retea de stocare a datelor

O retea de stocare a datelor (SAN) este o retea dedicata, de foarte mare performanta, folosita pentru a muta date intre servere si resursele pentru stocare. Deoarece este separata, este o retea dedicata, se evita orice conflict de trafic intre client si server.

SAN ofera urmatoarele facilitati:

Performanta – permite accesul la disk sau banda magnetica prin doua sau mai multe servere de mare viteza.

Disponibilitate – are incorporat un sistem de toleranta la dezastru. Datele pot fi duplicate la  peste 10 km distanta.

Scalabilitate – foloseste o varietate de tehnologii, ceea ce permite usurinta in realocarea backp-ului.

VPN – Virtual Private Network – Retea Virtuala Privata

O retea virtuala privata  este o retea privata care este construita inauntru retelei publice cum ar fi Internetul. Folosind VPN-ul, un telecommuter poate accesa de la distanta reteaua de la sediul companiei. De-a lungul Internetului, un tunel securizat poate fi construit intre PC-ul telecommuterului si un router VPN de la sediul companiei.

Beneficiile VPN:

VPN pastreaza aceeasi politica de securitate si management ca si o retea privata. Utilizarea VPN-ului este cea mai eficienta metoda de a stabili o conexiune point-to-point dintre utilizatorul aflat la distanta si reteaua firmei.

Principalele trei tipuri de retea VPN sunt:

Access VPN – ofera acces de la distanta pentru birouri mobile sau mici, de acasa (SOHO) catre o retea Intranet sau Extranet pe o structura partajata. Access VPN utilizeaza dial-up, ISDN, DSL, IP mobil, si tehnologii prin cablu pentru a securiza conexiunea mobil utilizator, telecommuter si birou central;

Intranet VPN – foloseste conexiuni dedicate pentru a lega birouri regionale sau departate la o retea interna peste o infrastructura partajata. Acesta permite doar accesul angajatilor companiei la reteaua locala a companiei;

Extranet VPN – foloseste conexiuni dedicate pentru a lega parteneri de afaceri la o retea interna peste o infrastructura partajata. Se permite si accesul persoanelor din afara companiei.

Intranet si Extranet

O configuratie comuna a retelelor locale de calculatoare este Intranetul. Serverul Web intranet difera de un server Web public prin aceea ca publicul trebuie sa aiba permisiunea proprietarului si parola pentru a accesa intranetul unei organizatii.

Intranetul este proiectat sa permita utilizatori care au acces privilegiat la reteaua locala a organizatiei.

Extranet se refera la aplicatii si servicii care sunt bazate pe Intranet, si foloseste accesul securizat extins catre utilizatori sau intreprinderi externe. Acest acces este de obicei permis prin ID utilizator si parola.

Latimea de banda

Importanta latimii de banda

Latimea de banda este definita astfel: cantitatea de informatii care poate fi transportata printr-o conexiune a retelei intr-o anumita perioada de timp.

Este importanta intelegerea conceptului de latime de banda din urmatoarele motive:

latimea de banda este limitata de fizica si de tehnologie;

latimea de banda nu este gratis;

necesarul de latime de banda are o rata rapida de crestere;

latimea de banda este critica pentru performanta retelei.

Analogii pentru latimea de banda

- Latimea de banda este ca diametrul unei conducte.

- Latimea de banda este precum numarul de benzi dintr-o autostrada.

Masurarea latimii de banda, limitari

Unitatea de masura a largimii de banda este bps – biti pe secunda.

Multiplii folositi pentru a masura largimea de banda sunt:

1000 bps = 1kbps = 10³ bps;

1 milion bps = 1Mbps = 10⁶ bps;

1 bilion de bps = 1 Gbps = 10⁹ bps;

1 trilion de bps = 1 Tbps = 10¹² bps.

Largimea de banda depinde atat de tipul mediului de transmisie cat si de tehnologia LAN sau WAN.

In tabelul 1 se prezinta cele mai comune medii, distanta si largimea de banda:

Puterea de trecere (throughput)

Puterea de trecere (debitul real) se refera la valoarea reala a largimii de banda, la un moment dat al zilei.

Puterea de trecere < largimea de banda

Urmatorii sunt cativa din factorii care determina puterea de trecere:

dispozitivele retelei;

tipul de date transferat;

topologia retelei;

numarul utilizatorilor din retea;

calculatoarele utilizatorilor;

server-ele;

Largimea de banda teoretica a unei retele este importanta in proiectarea retelei, deoarece acesta nu va fi niciodata mai mare decat limitele impuse de mediul si tehnologia alese pentru a construi reteaua.

Este foarte important pentru proiectantul si administratorul retelei sa ia in considerare factorii care pot afecta puterea de trecere actuala. Prin masurarea regulata a puterii de trecere, un administrator de retea poate fi constient de modificarile performantelor retelei si de modificarea nevoilor utilizatorilor retelei. Astfel, reteaua poate fi ajustata in acord cu acestea.

Modelele retelei

Folosirea straturilor pentru a analiza problemele retelei

Conceptul nivelelor (straturilor, layers) este folosit pentru a descrie comunicatiile dintre calculatoare.

Informatia care circula prin retea este referita in general ca date sau pachet.

Un pachet este o unitate de informatii grupate logic care se muta intre calculatoare.

Asa cum datele trec prin straturi, fiecare strat adauga informatii suplimentare care fac efectiv posibila comunicare cu stratul corespondent de la celelalte calculatoare.

Modelele OSI si TCP/IP au straturi care explica cum datele sunt transmise de la un calculator la altul. Modelele difera prin numarul straturilor si functiile lor.

Modelul OSI

Modelul OSI (Open System Interconnection) a foste elaborat in 1984 si reprezinta modelul creat de ISO. El ofera comerciantilor un set de standarde care asigura o mare compatibilitate si interoperabilitate intre diferite tehnologii de retea produse de companiile din intreaga lume.

Modelul OSI  a devenit principalul model al retelelor de comunicatii. Cu toate ca mai sunt si alte modele, majoritatea producatorilor isi leaga produsele de modelul OSI. Acest model este considerat ca fiind cea mai importanta unealta in educarea utilizatorilor despre trimiterea si receptionarea datelor intr-o retea.

Beneficiile modelului OSI:

reduce complexitatea;

standardizeaza interfetele;

faciliteaza proiectarea modulara;

asigura interoperabilitatea tehnologiilor;

accelereaza evolutia;

simplifica predarea si invatarea.

Nivelurile modelului OSI

Modelul OSI este format din 7 straturi, prezentate in figura 8, fiecare dintre ele ilustreaza o functie particulara a retelei. Divizarea retelei in 7 straturi ofera urmatoarele avantaje:

imparte reteaua in mai multe parti mai mici si mai usor de administrat;

standardizeaza componentele retelei pentru a permite si suporta mai multi producatori;

permite diferitelor tipuri de resurse hardware si software de retea sa comunice intre ele;

previne ca schimbarile dintr-un nivel sa afecteze alte nivele;

divide procesul de comunicare in retea in parti mai mici si le face mai usor de invatat si inteles.

7	Aplicatie	Procesarea retelei catre aplicatie: asigura serviciile retelei catre procesele aplicatiei, cum ar fi posta electronica, transferul fisierelor si emularea terminalelor.
6	Prezentare	Reprezentarea datelor: se asigura ca datele pot fi citite de sistemul destinatie; formateaza datele; structureaza datele; negociaza sintaxa de transfer a datelor pentru stratul aplicatie.
5	Sesiune	Comunicarea intre gazde: stabileste, coordoneaza si termina sesiunea dintre aplicatii
4	Transport	Conexiunea end-to end: se intereseaza de rezultatul transmisie dintre gazde; se asigura de transportul sigur al datelor; stabileste, mentine si termina circuite virtuale; detecteaza erorile si restabileste controlul asupra fluxului de date.
3	Retea	Router   Adresarea in retea si determinarea drumului cel mai bun: adresare logica; efort optim de livrare (best effort delivery)
2	Legaturi de date (Data Link)	Switch, Bridge NIC   Controlul legaturii directe, Acces la mediu: asigura transferul sigur al datelor pe mediu; adresare fizica, topologia retelei, disciplina liniei, notificarea erorilor, ordonarea livrarii cadrelor, controlul traficului.
1	Fizic	Repetor, Hub NIC   Transmisie binara: conductoare, conectori, tensiuni, cantitatea datelor

Comunicatia de la egal la egal (peer to peer)

Fiecare strat al calculatorului sursa comunica cu un PDU (Protocol Data Unit) specific, cu stratul echivalent al calculatorului destinatie,

Modelul TCP/IP

TCP/IP a fost creat ca un standard deschis (open standard), ceea ce inseamna ca oricine era liber sa foloseasca TCP/IP. Acest lucru a dus la cresterea vitezei de dezvoltare a TCP/IP ca standard.

Modelul TCP/IP are patru straturi:

Aplicatie;

Transport;

Internet;

Accesul la retea.

Aplicatie : reprezentarea, codarea si controlul dialogului.

Transport : se ocupa de calitatea serviciilor oferite precum:

siguranta,

controlul traficului

si corectia erorilor.

Unul din protocoalele sale, TCP – Transmission Control Protocol, ofera o cale excelenta si flexibila pentru a crea siguranta, un trafic bun, o retea cu erori reduse.

TCP este un protocol orientat pe conexiune. El mentine dialogul intre sursa si destinatie cat timp stratul aplicatie ambaleaza informatia in unitati numite segmente. Orientarea pe conexiune nu inseamna ca un circuit exista intre calculatoarele ce comunica, acest lucru inseamna ca segmente de strat 4 traverseaza reteaua inainte si inapoi intre cele doua gazde pentru a confirma existenta conexiunii logice pentru o anumita perioada de timp.

Internet : divide segmentele TCP in pachete si le transmite catre orice retea, acestea ajung la reteaua destinatie independent de calea pe care merg. Protocolul specific care guverneaza acest strat este numit Internet Protocol (IP). Determinarea caii optime si comutarea pachetelor se realizeaza in acest strat.

Acces la retea se ocupa cu toate componentele, atat fizice cat si logice, care sunt necesare realizarii unei legaturi fizice. Acest aspect include toate tehnologiile retelei, incluzand toate detaliile straturilor fizic si legaturi de date ale modelului OSI.

Unele din cele mai folosite protocoale ale stratului aplicatii sunt:

File Transfer Protocol (FTP);

Hypertext Transfer Protocol (http);

Simple Mail Transfer Protocol (SMTP);

Domain Name System (DNS);

Trivial File Transfer Protocol (TFTP).

Protocoalele stratului transport sunt:

Transport Control Protocol (TCP);

User Datagram Protocol (UDP).

Principalul protocol al stratului Internet este:

Internet Protocol (IP).

IP serveste ca un  protocol universal care permite intotdeauna oricarui calculatori de oriunde sa comunice oricand.

Chiar daca protocoalele TCP/IP sunt standardele dupa care s-a dezvoltat Internetul, invatatul si proiectarea retelelor se face dupa modelul OSI deoarece:

este un standard generic, independent de protocolul folosit;

are mai multe detalii, care sunt mai folositoare in procesul educativ;

are mai multe detalii, care pot fi folositoare in depanarea unei retele.

Capsularea datelor

Toate comunicatiile dintr-o retea sunt generate la sursa si apoi trimise la destinatie. Informatia ce se propaga prin retea este referita ca date sau pachete de date. Daca un calculator (gazda A) vrea sa trimita date catre un alt calculator (gazda B), datele trebuie sa fie impachetate de-a lungul unui proces denumit capsulare.

Capsularea ambaleaza datele cu informatiile necesare protocolului inainte de a tranzita reteaua. Astfel, pachetele de date de deplaseaza in jos prin straturile modelului OSI, primeste anteturi, subsoluri si alte informatii.

In figura de mai sus se prezinta modul in care datele traverseaza straturile modelului OSI. Odata ce datele sunt transmise de sursa, ele traverseaza cele sapte straturi. Reteaua trebuie sa realizeze urmatorii cinci pasi de conversie pentru a capsula datele:

formarea datelor – cand se transmite un e-mail, acesta este in format alfanumeric, aceste caractere sunt convertite in date care traverseaza inter-reteaua;

impachetarea datelor pentru transport – datele sunt impachetate pentru transportul inter-retea. Folosind segmente, functia transport se asigura ca mesajele gazdelor de la ambele capete ale sistemului de e-mail pot comunica in siguranta;

adaugarea adresei IP a retelei la antet – datele sunt puse intr-un pachet sau datagrama care contine un pachet antet cu adresa logica a sursei si a destinatiei. Aceste adrese ajuta dispozitivele retelei sa trimita pachetele prin retea de-a lungul unei cai alese;

adaugarea antetului si subsolului stratului legaturi de date – fiecare dispozitiv de retea trebuie sa puna pachetul intr-un cadru. Cadrul permite intotdeauna conexiunea cu urmatorul dispozitiv de retea direct conectat. Fiecare dispozitiv din calea de retea aleasa necesita 'cadrarea' pentru a se conecta cu urmatorul dispozitiv.

conversia in biti pentru transmisie – cadrele trebuie convertite intr-un sir de 1 si 0 pentru transmisia pe mediu. O functie de sincronizare permite dispozitivelor sa distinga acesti biti in timp ce ei traverseaza mediul.