II. REŢELE DE CALCULATOARE

Transcription

1 II. REŢELE DE CALCULATOARE - 1 -

2 CUPRINS Cuvânt înainte... 4 Capitolul II.01. Arhitectura sistemelor distribuite II Clasificarea reţelelor de comunicaţie... 5 II Evoluţia istorică... 6 II Arhitecturi de siteme distribuite... 7 Capitolul II.02. Modelul OSI II Standarde în domeniul comunicaţiei de date II Modelul de Interconectare a Sistemelor Deschise Capitolul II.03. Transmisia de date II Linii de transmisie II Tipuri de interfeţe şi semnale II Interfeţe standard la nivelul fizic II Definiţii şi noţiuni de bază privind transmisia de date II Circuite de control al transmisiei II Sincronizarea la nivel de bit II Metode de detectare a erorilor Capitolul II.04. Reţele de calculatoare de tip LAN. IEEE II Scopul standardului IEEE II Protocolul MAC CSMA/CD II Specificaţiile standardului referitoare la nivelul fizic Capitolul II.05. Protocoale de comunicaţie în reţele de calculatoare II IPX II SPX II IP II TCP Capitolul II.06. Reţele de calculatoare de mare viteză II Proiectarea sistemelor pe fibră optică II Proiectarea unui sistem CATV analogic/digital pe fibre optice II Managementul căii inverse: proiectare şi utilizare II Sisteme de transport pe fibre multicanal digitale v/a/d II Transfer de la satelit în banda l II Media-convertoare II Tehnologii de comunicaţie pe fibre optice Capitolul II.07. Reţele de calculatoare de tip WAN II Reţele cu comutarea mesajelor II.07.2 Reţele cu comutarea pachetelor II.07.3 ISDN II.07.4 Arhitectura ISDN Capitolul II.08. Administrarea reţelelor de calculatoare II Noţiuni de bază despre rutare II Bridging cu routere II Rutare statică II Rutare dinamică Capitolul II.09. Reţele mobile şi tehnologii wireless II Generalităţi II Standardele IEEE II Notiuni si configuratii posibile II Componentele retelei

3 Capitolul II.10. Autoevaluare Bibliografie

4 Cuvânt înainte Evoluţia tehnologică în domeniile calculatoarelor personale, comunicaţiilor de date şi reţelelor locale de calculatoare a dus la schimbarea modului de gândire a soluţiilor de utilizare optimă a acestora. Noile cerinţe impun o partajare globală a informaţiei în care comunicarea trebuie să fie rapidă şi fără erori. Tehnicile de interconectare a reţelelor locale de calculatoare au cunoscut o dezvoltare deosebită în ultimii ani, devenind din ce în ce mai complexe. Alegerea echipamentelor de interconectare depinde de structura reţelelor, de tipul aplicaţiilor şi serviciilor solicitate precum şi de protocoalele de comunicaţie necesare. Sistemul de reţele interconectate rezultat trebuie să se caracterizeze prin: transferuri rapide şi fără erori ale informaţiei, uşurinţă în exploatare şi administrare, gamă largă de servicii pusă la dispoziţia utilizatorilor, flexibilitate în ceea ce priveşte dezvoltarea ulterioară a structurii. Informaţia şi comunicaţia sunt două dintre cele mai importante elemente ce contribuie la succesul oricărei instituţii. Cu toate că orice organizaţie foloseşte un număr însemnat de echipamente de calcul, aceste sunt de multe ori izolate, fără a exista posibilitatea comunicării eficiente între departamente. Pentru a depăşi aceste obstacole este necesară utilizarea efectivă a comunicaţiilor de date şi reţelelor de calculatoare. Domeniul reţelelor de calculatoare este unul dintre cele mai incitante elemente ale ştiinţei calculatoarelor. Există nenumărate exemple de dezvoltare deosebit de rapidă a reţelelor de calculatoare. Reţelele de calculatoare permit utilizatorilor să acceseze de la distanţă atât programe cât şi baze de date, fie localizate în cadrul aceleiaşi organizaţii fie provenind din diverse surse publice. Reţelele de calculatoare asigură în primul rând facilităţi de comunicare. Datorită acestor posibilităţi optime de informare şi comunicare, reţelele de calculatoare contribuie la dezvoltarea organizaţiilor, fapt considerat de mulţi autori ca un avantaj fundamental. În plus faţă de acest important factor, orice organizaţie trebuie să aibă o reţea de calculatoare din mai multe motive: reducerea costurilor prin partajarea resurselor hardware şi software, fiabilitate crescută prin multiplicarea resurselor, reducerea costurilor prin utilizarea reţelelor bazate pe microcalculatoare în locul minicalculatoarelor sau mainframe-urilor, flexibilitate ridicată datorită posibilităţii de interconectare a echipamentelor provenite de la diverşi producători. Având în vedere aceste lucruri, această parte a disciplinei Informatică dezvoltată în cadrul proiectului POSDRU/86/1.2/S/62485, proiect ID 62485, cu Titlul Sistem de formare și evaluare centrat pe student, online, la discipline fundamentale de licență și masterat din invățământul superior tehnic, are scopul de a realiza mai mult decât o prezentare generală a protocoalelor de comunicaţii de date utilizate în prezent. În plus, au fost motivate şi explicate principiile de bază ale comunicaţiilor de date şi ale proiectării reţelelor de calculatoare pentru a face aceste concepte mai accesibile

5 Capitolul II.01. Arhitectura sistemelor distribuite Cuvinte-cheie reţele locale, LAN, WAN, Closely Coupled Systems, Loosely Coupled Systems Sistemele de calcul distribuit realizează prelucrarea informaţiei precum şi comunicarea între grupuri distribuite de echipamente de calcul. În general, diferitele tipuri de echipamente de calcul vor fi numite în continuare DTE (Data Terminal Equipment). Acestea nu includ numai grupuri distribuite de calculatoare, dar şi o gamă variată de echipamente cum ar fi: terminale video inteligente, staţii de lucru, echipamente inteligente pentru controlul proceselor industriale etc. Varietatea acestor echipamente implică existenţa mai multor tipuri de siteme distribuite. Înainte de a se trece la proiectarea elementelor unui sistem de comunicaţii de date ce va fi folosit într-un sistem distribuit dat, trebuie cunoscute două lucruri: diferitele tipuri de reţele de comunicaţie disponibile, modurile acestora de lucru (operare), domeniile de operabilitate; setul de standarde internaţionale ce a fost elaborat în vederea uşurării folosirii acestor reţele. II Clasificarea reţelelor de comunicaţie Reţelele de comunicaţie pot fi clasificate în patru categorii în funcţie de distanţa fizică dintre elementele ce comunică între ele: 1. Reţele miniaturale (< 5cm). Acestea realizează interconectarea diferitelor elemente de calcul ce sunt implementate pe acelaşi circuit integrat. 2. Reţele mici (< 50 cm). Acestea realizează interconectarea unităţilor de calcul localizate în aceeaşi cutie sau subansamblu al unui echipament. 3. Reţele medii (acoperind arii de ordinul kilometrilor). Realizează interconectarea echipamentelor de calcul (staţii de lucru, aparate de măsură inteligente) distribuite pe o arie limitată. Aceste reţele se mai numesc şi reţele locale (LAN Local Area Networks). 4. Reţele mari. Realizează interconectarea reţelelor locale de calculatoare. Acestea sunt distribuite pe o suprafaţă mai întinsă (suprafaţa unei ţări sau arii geografice mai întinse). Reţelele de acest tip se mai numesc şi reţele globale (WAN Wide Area Networks). În cazul primelor două tipuri de reţele, datorită distanţei mici dintre elementele de calcul, toate mesajele sunt transferate în mod paralel. Aceste reţele fac parte din categoria reţelelor puternic cuplate (CCS Closely Coupled Systems). Celelalte două tipuri de reţele fac parte din categoria sistemelor slab cuplate (LCS Loosely Coupled Systems), transferul mesajelor făcându-se în mod serial

6 În general, prima categorie de reţele (CCS) realizează schimbul de date între elemente de calcul omogene. În contrast, sistemele slab conectate (LCS) realizează schimbul de date între calculatoare sau echipamente de tipuri diferite. Principalele obiective ale acestor sisteme sunt: să asigure transferuri de date fără erori; să asigure ca mesajele transferate să aibă aceeaşi semnificaţie în toate sistemele. Pentru a realiza aceste obiective LCS folosesc diferite forme de reţele şi protocoale de comunicaţie. Acesta este tipul de sisteme ce face obiectul capitolelor ce urmează. II Evoluţia istorică Evoluţia LCS a fost determinată de dezvoltarea resurselor folosite în cadrul unui sistem de calcul

7 Primele calculatoare comerciale au fost caracterizate printr-un harware voluminos şi software primitiv. Cu timpul, datorită progresului tehnologic şi dezvoltării software-ului au apărut unităţile de discuri magnetice şi sistemele de operare de tip multiuser. Aceasta a făcut posibilă partajarea în timp a CPU între mai multe programe active, permiţând mai multor utilizatori să-şi execute programele interactiv şi să aibă acces simultan la datele memorate prin intermediul unui terminal separat. Pentru a valorifica aceste realizări calculatoarele au fost proiectate astfel încât să suporte mai multe terminale. Astfel de calculatoare au fost numite sisteme multiacces permiţând accesul on-line la datele memorate. Prin intermediul modem-urilor şi reţelelor telefonice, terminalele au putut fi plasate la distanţe mari de calculator (figura 1.1 a). Folosirea reţelelor telefonice ca mediu principal pentru comunicaţia de date a făcut ca în curând costul unei linii de comunicaţie să nu mai fie nesemnificativ. De aceea au fost introduse multiplexoare statistice şi dispozitive de tip cluster controller astfel încât o singură linie de comunicaţie să fie folosită de mai mulţi utilizatori aflaţi în acelaşi loc (figura 1.1 b). În plus, creşterea foarte mare a numărului de terminale (la câteva sute) a impus introducerea FEP (Front-End Processor) care degrevează CPU de sarcina comunicării. II Arhitecturi de siteme distribuite Reţele de calculatoare personale Structurile prezentate în figurile anterioare se caracterizează prin concentrarea unei mari cantităţi de informaţii într-un singur loc. În astfel de structuri, utilizatorii dispersaţi în spaţiu, accesează şi actualizează informaţia folosind diverse facilităţi de comunicare (figura 1.2)

8 În multe cazuri însă, nu este nevoie ca informaţia să fie stocată centralizat. De aceea se preferă plasarea în diverse locuri a unor sisteme de calcul autonome. Aceste siteme pot funcţiona independent, dar de multe ori este nevoie să schimbe informaţii sau să-şi partajeze resurse hardware sau software. Pentru o astfel de reţea a apărut limitarea volumului de date schimbate datorată reţelei telefonice şi modem-urilor. Astfel a apărut necesitatea realizării unor reţele de comunicaţie independente. Cerinţele impuse unor astfel de reţele au fost în mare măsură similare caracteristicilor reţelelor de telex. Reţele de comunicaţie în domeniul public Iniţial, reţelele de comunicaţie au fost realizate la nivel naţional, folosind linii de telecomunicaţie închiriate. Cu timpul, a apărut necesitatea comunicării între două calculatoare aparţinând la două reţele diferite. În acest moment multe ţări au acceptat faptul că analog reţelei telefonice (PSTN Public Switched Telephone Network) trebuie să existe o reţea de comunicaţii de date (PSDN - Public Switched Data Network). În plus, datorită faptului că această reţea trebuia să permită comunicarea între diferite tipuri de echipamente a devenit necesară adoptarea unor standarde de interfaţare. Reţele locale Datorită evoluţiei tehnologice şi implicit a dezvoltării resurselor de calcul numărul echipamentelor de calcul a crescut foarte mult. Astfel au devenit comune structuri alcătuite din mai multe staţii de - 8 -

9 lucru (executând de exemplu procesare de texte) localizate fizic în aceeaşi clădire. Fiecare din aceste staţii poate executa independent numeroase sarcini, dar de multe ori este necesară şi comunicarea între ele (în scopul transferului de fişiere sau pentru accesarea unor resurse scumpe partajate). Datorită faptului că echipamentele de calcul se află plasate la distanţe relativ mici, acest tip de reţea se numeşte Local Area Network (LAN). În funcţie de topologie şi de modul de operare se deosebesc mai multe tipuri de LAN, fiecare tip fiind proiectat pentru a fi utilizat într-un anumit domeniu (birotică, proiectare, industrie). În figura 1.4 se prezintă un sistem distribuit bazat pe LAN folosit în domeniul tehnic (ex. campus universitar). Structura prezentată în figura 1.4 este tipică pentru LAN. De multe ori este însă necesară comunicarea între un calculator conectat la o reţea locală cu un calculator conectat într-o altă reţea locală aflată la distanţă mare în aceeaşi ţară sau în ţări diferite. Legătura între reţelele locale se poate face printr-o reţea de date publică (prin satelit). Echipamentele ce realizează legătura între diferite reţele se numesc internetwork bidges (pentru interconectarea a 2 LAN) şi internetwork gateways (pentru legătura între LAN şi PSDN) figura

10 - 10 -

11 Capitolul II.02. Modelul OSI Cuvinte-cheie International Standards Organization, Open Systems Interconnection, nivelul fizic, nivelul legăturii de date, nivelul reţea, nivelul transport, nivelul sesiune, nivelul prezentare, nivelul aplicaţie II Standarde în domeniul comunicaţiei de date Primele reţele de comunicare realizate de fabricanţi nu permiteau cuplarea (atât din punct de vedere hardware cât şi software) decât a propriilor echipamente. Din această cauză aceste sisteme distribuite sunt cunoscute sub numele de sisteme închise (closed systems). Pentru a înlătura această limitare, organizaţii internaţionale au elaborat de a lungul anilor diverse standarde în vederea conectării echipamentelor de calcul la reţele publice. Astfel au fost proiectate protocoalele din seria V pentru conectarea unui DTE la PSTN, sau recomandările din seria X pentru conectarea DTE la PSDN. În acest fel, echipamente ale unui producător care aderă la aceste standarde pot fi conectate cu echipamente ale unui alt producator. Sistemele rezultate sunt cunoscute sub numele de sisteme deschise (open systems interconnection). Începând din anul 1970 au început să se înmulţească tipurile de sisteme distribuite. De aceea au fost introduse tot mai multe standarde de comunicaţie. Primul standard introdus privea structura generală a unui sistem de comunicare între calculatoare. Acesta a fost proiectat de International Standards Organization (ISO) şi a fost cunoscut sub numele de ISO Reference Model for Open Systems Interconnection (OSI). În continuare au fost introduse diferite standarde corespunzând diferitelor tipuri de PSDN. Dintre organizaţiile care au dezvoltat sau promovat aceste standarde cele mai importante sunt: 1. International Organization for Standardization (ISO) este o organizaţie internaţională ce se ocupă cu dezvoltarea standardelor privind o gamă largă de subiecte. 2. Consultative Committee of the International Telegraph and Telephone (CCITT) îşi propune să studieze şi să elaboreze recomandări în probleme tehnice, de utilizare şi de tarife în domeniul telegrafiei şi telefoniei. Obiectivul său principal este de a asigura compatibilitatea legăturilor internaţionale în telecomunicaţie. 3. American National Standards Institute (ANSI) este o organizaţie neguvernamentală, nonprofit, compusă din producatori, utilizatori şi alte organizaţii interesate. Este organul desemnat să reprezinte U.S.A. în cadrul ISO. 4. Electronics Industries Association (EIA) este o asociaţie de firme în domeniul electronicii şi membră a ANSI. Se ocupă în primul rând cu standarde la nivelul fizic al modelului OSI. 5. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) este de asemenea membră a ANSI şi se ocupă în special cu primele două nivele ale modelului OSI (nivelul fizic şi data link)

12 II Modelul de Interconectare a Sistemelor Deschise Scopul ISO Reference Model for OSI a fost de a stabili o bază comună pentru coordonarea dezvoltării standardelor în domeniul interconectării sistemelor. Termenul "Open Systems Interconnection" desemnează standarde privind schimbul de informaţie între sisteme deschise. Faptul că un sistem este deschis nu presupune o implementare, tehnologie sau interconectare particulară ci se referă la recunoaşterea sau aplicarea mutuală a standardelor. Un alt obiectiv al ISO este de a identifica domeniile în care standardele pot fi dezvoltate sau îmbunătaţite şi de a menţine consistenţa standardelor înrudite. Tehnica de structurare adoptată de ISO este cea a stratificării. Funcţiile de comunicaţie sunt separate pe mai multe nivele (layers). Fiecare nivel realizează un subset de funcţii necesare pentru comunicaţia cu un alt sistem. Ideal este ca nivelele să fie astfel definite încât modificări efectuate într-un nivel să nu necesite modificări şi în alte nivele. Sarcina ISO a fost să definească un set de nivele şi serviciile realizate de fiecare nivel. Principiile avute în vedere de ISO au fost următoarele: 1. Să nu se creeze mai multe nivele decît sunt necesare deoarece devine mai dificilă descrierea şi integrarea nivelelor. 2. Crearea unei graniţe la un punct unde descrierea serviciilor poate fi mică şi numărul interacţiunilor între nivele este minim. 3. Crearea de nivele separate pentru funcţii ce se manifestă diferit în timpul derulării procesului. 4. Gruparea funcţiilor similare în acelaşi nivel. 5. Selectarea graniţelor în puncte alese pe baza experienţei anterioare. 6. Crearea unui nivel pe baza unor funcţii ce pot fi uşor localizate astfel încât reproiectarea sa totală sau modificarea protocoalelor datorită progresului tehnologic hardware sau software să nu necesite modificarea serviciilor aşteptate de la sau furnizate pentru nivelele adiacente. 7. Crearea unei graniţe în punctul în care la un moment dat s ar putea să avem o interfaţă corespunzatoare standardizată. 8. Crearea unui nivel atunci când se trece la un nivel diferit de abstractizare a datelor (ex. morfologie, sintaxa, semantică). 9. Să permită schimbarea funcţiilor şi protocoalelor dintr-un nivel fără a afecta celelalte nivele. 10. Fiecarea nivel să se învecineze numai cu nivelul superior şi cu cel inferior lui. Principii similare celor enumerate au fost aplicate şi subnivelelor. Avantajul modelului OSI îl reprezintă rezolvarea comunicaţiei între calculatoare eterogene. Două sisteme, indiferent cât se deosebesc, pot comunica efectiv dacă îndeplinesc următoarele condiţii: Implementează acelaşi set de funcţii de comunicaţie. Aceste funcţii sunt organizate în cadrul aceluiaşi set de de nivele. Nivelele pereche trebuie să realizeze aceleaşi funcţii, dar nu este necesar să le realizeze în acelaşi mod. Nivelele pereche trebuie să folosească un protocol comun

13 Plecând de la principiile enunţate, modelul OSI a definit un set de şapte nivele. Nivelul fizic (physical layer) acoperă interfaţa fizică între echipamente şi regulile prin care biţii sunt transferaţi de la unul la altul. Nivelul fizic are patru caracteristici importante: mecanice electrice funcţionale procedurale Exemple: RS 232 C, RS 449/422/423 şi parţial X.21. Nivelul legăturii de date (data link layer) are rolul de a face sigură legătura fizică precum şi de a activa, întreţine şi dezactiva legătura. Principalul serviciu pe care acest nivel îl oferă nivelului superior este controlul erorilor. Nivelul reţea (network layer) are rolul de a realiza transferul transparent al datelor între entitaţile de transport. El permite nivelului superior (transport) să ştie totul despre transmisia de date din nivelele inferioare şi să aleagă tehnologia folosită pentru conectarea sistemelor. Nivelul transport (transport layer) realizează un mecanism sigur de schimb de date între procese din sisteme diferite. Acest nivel asigură transmiterea fără erori şi în secvenţă corectă a unităţilor de date. Nivelul sesiune (session layer) propune un mecanism pentru controlarea dialogului între aplicaţii. Nivelul prezentare (presentation layer) se ocupă cu sintaxa schimbului de date între aplicaţii. Îşi propune să rezolve diferenţele dintre formatele de reprezentare a datelor. Nivelul aplicaţie (application layer) creează un mijloc prin care aplicaţiile să acceseze mediul OSI. Acest nivel conţine funcţii de gestionare şi mecanisme general valabile pentru aplicaţii distribuite. În figura 1.6 este ilustrat modelul OSI: Fiecare sistem conţine câte şapte nivele. Comunicaţia se realizează între aplicaţiile notate AP X şi AP Y din cele două sisteme. Dacă AP X doreşte să transmită un mesaj către AP Y atunci este solicitat nivelul 7. Acesta stabileşte o relaţie de tip "peer-to-peer" cu nivelul 7 al sistemului receptor, folosind un protocol specific acestui nivel. Acest protocol foloseşte servicii oferite de nivelul 6. La rândul său, nivelul 6 foloseşte un protocol propriu şi aşa mai departe până la nivelul fizic care realizează transmisia biţilor prin mediul de transmisie. Observaţie: Între nivelele pereche nu există o comunicaţie directă cu excepţia nivelului fizic. Atunci când aplicaţia X are de transmis un mesaj către aplicaţia Y, informaţia este transferată către "application layer". Aici se adaugă un header ce conţine informaţie necesară protocolului corespunzator nivelului 7 pereche (operaţia se numeşte încapsulare). Datele originale plus acest header sunt transferate sub forma unei unităţi de date către nivelul 6. "Presentation layer" tratează întreaga entitate ca pe o dată şi îi adaugă propriul header (a doua încapsulare). Acest proces continuă în jos până la nivelul 2 care, în general, adaugă datelor atât un header cât şi o coadă. Entitatea rezultată poartă numele de pachet şi este transferată prin nivelul fizic către mediul de

14 transmisie. Când pachetul este recepţionat de sistemul destinaţie are loc un proces invers. Fiecare nivel îşi extrage headerul corespunzător conţinând informaţii solicitate de protocolul folosit în comun la acel nivel

15 Capitolul II.03. Transmisia de date Cuvinte-cheie linii deschise din două fire, linie de transmisie din două fire torsadate, cablu coaxial, fibră optică, microunde, RS 232C/V.24, RS 422/V.11, modulare, demodulare, atenuare, distorsiuni II Linii de transmisie După cum se cunoaşte, pentru transmiterea unor date binare pe o linie de transmisie, cifrele binare trebuie convertite în semnale electrice (ex. pentru "1" logic corespunde un semnal tensiune de amplitudine +V, iar pentru "0" logic V). În practică, transmisia acestor semnale electrice poate fi atenuată sau distorsionată datorită imperfecţiunii mediului de transmisie. Aceasta are ca efect faptul că receptorul nu poate face deosebirea între "0" logic şi "1" logic (figura 2.1). Factorii ce influenţează calitatea transmisiei sunt: tipul mediului de transmisie; viteza de transmisie folosită; distanţa între echipamentele ce comunică

16 Deoarece efectele datorate atenuării şi distorsiunilor pot fi evaluate pentru diferite medii de transmisie şi distanţe între DTE, există în prezent standarde internaţionale bine definite privind interfaţa electrică între DTE. Aceste standarde includ nu numai definirea nivelelor semnalelor electrice, dar şi folosirea şi semnificaţia diverselor semnale de control şi convenţii folosite la nivel fizic. Elaborarea acestor standarde a fost făcută de două organizaţii: CCITT (Consultative Commettee of International Telegraph and Telephone) în Europa şi EIA (Electrical Industries Association) în U.S.A. 1. Linii deschise din două fire Acestea reprezintă mediul de transmisie cel mai simplu. Într-o astfel de linie, fiecare fir este izolat şi liber în spaţiu (figura 2.2 a). Acest tip de linie este folosit pentru conectarea a două DTE aflate la distanţă mică (<50m) şi folosirea unei rate de transmisie modestă (<19.2Kbps). Semnalul (de obicei nivel de tensiune sau curent) este aplicat pe unul din fire, iar referinţa (masa) pe celălalt fir. Liniile deschise din 2 fire se pot folosi şi pentru interconectarea a 2 DTE, dar de obicei sunt utilizate pentru conectarea unui DTE (Data Terminal Equipment) cu un DCE (Data Communication Equipment - de ex. modem). Aşa cum se va vedea, astfel de conexiuni folosesc de obicei mai multe linii utilizând câte un fir pentru fiecare semnal şi un singur fir pentru masa comună. Setul complet de fire poate fi sub forma unui cablu multifir (multicore cable) sau cablu plat (panglică) (ribbon cable). În cazul acestui tip de linie de transmisie pot să apară două fenomene nedorite: 1. diafonia interferenţa între semnalele electrice din două fire alăturate ale aceluiaşi cablu; 2. semnale tip zgomot datorate radiaţiei electromagnetice a altor surse de semnale electrice. Problema principală a interferenţei semnalelor este că aceasta se poate produce numai în unul din fire (de exemplu în firul de semnal, nu şi în firul de masă) cum receptorul interpretează diferenţa de semnal dintre cele două fire va rezulta o eroare de interpretare a semnalului recepţionat (semnal util şi zgomot). Toţi aceşti factori contribuie la limitarea lungimii liniei şi a vitezei de transmisie. 2. Linie de transmisie din două fire torsadate O mult mai bună imunitate la zgomot se poate obţine prin folosirea firelor torsadate - twisted pair line (figura 2.2 b). Prin torsadare firele se află foarte aproape unul de celălalt (lipite) pe toată lungimea lor. Astfel, probabilitatea de a se induce semnale parazite numai în unul din fire scade mult. Zgomotul se va induce aproape identic în cele două fire, efectul asupra semnalului diferenţă interpretat la recepţie fiind aproape nul. Astfel de linii de transmisie pot fi folosite la o rată de transfer de aprox. 1Mbps şi pentru distanţe mai mici de 100 m (pentru distanţe mai mari trebuie scăzută rata de transfer)

17 În unele cazuri se folosesc cabluri împletite, dar şi cu un ecran protector pentru a reduce influenţa câmpurilor electromagnetice exterioare. Acestea se numesc cabluri ecranate cu fire torsadate

18 3. Cablu coaxial Principala limitare a liniilor din fire torsadate este dată de efectul de suprafaţă (skin effect). Datorită frecvenţei mari de transmisie curentul ce trece prin fire tinde să se deplaseze numai la suprafaţa exterioară a firului. Astfel, o mare parte a suprafeţei secţiunii firului ramâne nefolosită ducând la creşterea rezistenţei electrice a firului. În plus, la frecvenţe mari, o importantă parte a puterii semnalului se pierde prin radiaţie. De aceea, pentru rate mai mari de 1 Mbps se recomandă folosirea unui alt tip de cablu. Un tip de linie de transmisie ce micşorează aceste efecte negative este cablul coaxial (figura 2.2 c): În cazul ideal spaţiul între doi conductori ar trebui să fie aer. În practică însă, acesta este un material dielectric solid sau de tip fagure. Cablul coaxial poate fi folosit pentru comunicaţii la sute de metri şi cu o rată de Mbps. 4. Fibra optică Cablurile realizate din fibre optice permit transmisia informaţiei sub forma unui flux luminos de intensitate variabilă. Undele luminoase asigură performanţe mult mai ridicate decât undele electrice, astfel încât cablurile din fibre optice pot fi folosite pentru rate de transfer foarte mari (x100 Mbps). Folosirea acestui tip de cablu elimină posibilitatea apariţiei diafoniei şi interferenţelor electromagnetice. De aceea sunt foarte utile în fabrici unde se folosesc echipamente ce utilizează tensiuni şi curenţi mari. Cablul cu fire optice este alcătuit dintr-o fibră de sticlă pentru fiecare semnal ce trebuie transmis. Aceasta este protejată împotriva surselor exterioare de lumină de un izolator optic. Semnalul luminos este generat de un dispozitiv optic emiţător ce realizează conversia semnalului electric obişnuit folosit în DTE. De obicei, emiţătorul foloseşte un LED, iar receptorul o fotodiodă sau fototranzistor. Dezavantajele acestui tip de cablu sunt preţul ridicat şi dificultatea cuplării sau ramificării cablului (apar pierderi mari). 5. Microunde Toate mediile de transmisie descrise până acum folosesc o linie fizică pentru transmiterea informaţiei. Un alt mod de transmitere a datelor îl reprezintă undele electromagnetice emise în spaţiu. Un exemplu de astfel de mediu îl constituie sateliţii. Un flux de microunde ce conţine informaţia modulată este emis de la sol către satelit. Satelitul realizează recepţia şi transmiterea fluxului către staţia de la sol receptoare. Un canal de satelit permite performanţe foarte ridicate, motiv pentru care acesta este divizat în subcanale, fiecare cu o rată mare de transfer

19 Sateliţii pentru comunicaţie sunt de tip geostaţionar. Aria de recepţie poate fi mică în acest caz semnalul are intensitate mare necesitând antene mici sau poate fi de întindere mare, intensitatea semnalului recepţionat fiind însă redusă. II Tipuri de interfeţe şi semnale După cum s-a arătat, pentru interconectarea a două echipamente situate la distanţă mică unul de celalalt şi care folosesc o viteză de transmisie modestă sunt suficiente liniile deschise din două fire. Circuitele de interfaţă folosite sunt simple având numai rolul de a schimba nivelele semnalelor folosite în DTE în nivele adecvate liniei de interconectare. Dacă distanţa dintre echipamente şi rata transmisiei cresc, atunci circuitele de interfaţare şi tehnicile de comunicare devin mai sofisticate. În cazul în care echipamentele sunt situate în puncte diferite ale unei ţări (sau în ţări diferite), puncte între care nu există o reţea publică de date, atunci singura soluţie mai ieftină este folosirea liniilor din reţeaua telefonică. Pentru a folosi însă acest mediu de comunicare este necesară conversia semnalelor analogice asemănătoare celor audio. Similar, pentru recepţionarea acestora se impune conversia inversă în semnale ce pot fi folosite de echipamentul destinaţie. Dispozitivul folosit pentru realizarea acestor funcţii se numeşte modem. 1. RS 232C/V.24 Interfaţa RS 232C (figura 2.3) definită de EIA şi interfaţa V.24 definită de CCITT au fost iniţial proiectate ca interfeţe standard pentru conectarea unui DTE cu un modem permiţând astfel diverşilor producători de echipamente să folosească facilităţile puse la dispoziţie de reţelele telefonice. Distanţa între DTE şi modem trebuie să fie mică, iar rata maximă de transfer de 9600 bps. Nivelele semnalelor folosite de interfaţa RS 232C (V.24) sunt: "1" logic < 3V; "0" logic > +3V. În prezent cele mai folosite nivele de tensiune sunt +/- 12V. Circuitele ce realizează transmisia convertesc semnalele TTL folosite în interiorul DTE în semmnale cu nivel de tensiune ridicat utilizate pentru transmisia pe linie. Similar, la recepţie, există circuite ce realizează funcţia inversă. Aceste circuite de interfaţă se numesc drivere de linie sau receptoare de linie şi au în plus rol de inversor. Datorită diferenţei mari între nivelul de tensiune folosit pentru "0" logic şi cel pentru "1" logic efectele de atenuare şi zgomot pe linie sunt mult reduse. De obicei aceste interfeţe folosesc un cablu panglică sau multifir cu un singur fir de masă. În vederea reducerii efectului de diafonie, de multe ori se foloseşte soluţia conectării unui condensator între ieşirea emiţătorului şi masă

20 În vederea reducerii efectului de diafonie, de multe ori se foloseşte soluţia conectării unui condensator între ieşirea emiţătorului şi masă. În cazul creşterii lungimii liniei sau a ratei de transfer, prin efectul de atenuare, nivelul semnalelor scade astfel încât semnale externe, chiar de mică amplitudine, pot produce erori de transmisie. Standardele RS 232C şi V.24 specifică lungimea maximă a liniei ca fiind de 15 m şi rata maximă de transfer de 9600 bps. În cazul conectării unui periferic la un calculator se folosesc uneori valori mai mari decât cele menţionate. Bucla de curent 20 ma O altă variantă a interfeţei RS 232C este cea care foloseşte un semnal curent în locul semnalului tensiune. Prin aceasta se poate creşte substanţial lungimea liniei. O structură bazată pe bucle de curent este prezentată în figura 2.4. Principiul de funcţionare se bazează pe faptul că starea unui comutator (releu sau altă componentă similară) este controlată de fluxul de biţi ce trebuie transmişi. Comutatorul este închis pentru o cifră binară 1 lăsând să treacă un curent de 20 ma şi este deschis pentru o cifră binară 0 oprind trecerea curentului. La recepţie, trecerea curentului este analizată de un circuit detector ce reproduce astfel semnalul transmis. Imunitatea la zgomot a interfeţelor cu bucla de curent este mult mai bună decât a celor ce folosesc semnale în tensiune utilizând două fire pentru fiecare semnal. De aceea, acest tip de interfaţă se foloseşte pentru linii mult mai lungi (până la 1 Km), dar cu rate de transfer modeste datorită limitării impuse de funcţionarea circuitelor comutatoare (emiţătoare) şi detectoare de curent (receptoare). Din acest motiv unii producători oferă echipamente cu două interfeţe RS 232C

21 separate una cu semnale în tensiune şi una cu semnale în curent astfel încât utilizatorul să poată alege una dintre ele în funcţie de distanţa dintre echipamente. 2. Interfaţa RS 422/V.11 Dacă sunt necesare linii mai lungi şi rate de transfer mai mari atunci trebuie folosită interfaţa RS 422/V.11. Aceasta se bazează pe folosirea cablului cu fire torsadate şi a circuitelor emiţătoare şi receptoare diferenţiale

22 O astfel de structură este prezentată în figura 2.5. Circuitul emiţător diferenţial produce două semnale egale ca amplitudine, dar de polaritate diferită pentru fiecare cifră binară 1 sau 0 ce trebuie transmisă. Deoarece receptorul diferenţial este sensibil numai la diferenţa dintre cele două semnale de la intrarea sa, rezultă că orice zgomot indus în ambele fire nu va influenţa calitatea recepţiei. RS 422 poate fi folosită cu cablu cu fire torsadate pentru distanţe de până la 100 m la o rată de transfer de 1 Mbps (sau distanţe mai mari pentru rate mai mici). Un parametru important al oricărei linii de transmisie este impedanţa sa caracteristică Z0. Pentru ca receptorul să absoarbă toate semnalele transmise pe linie trebuie adaptată impedanţa liniei la impedanţa de intrare a receptorului. Acest lucru se realizează de obicei printr-o rezistenţă de valoare ohmi. 3. Semnale folosite pentru modem Pentru a putea realiza transmisia de date pe linii aparţinând unei reţele telefonice publice este necesară conversia semnalelor generate de DTE într-o formă acceptabilă pentru PSTN. Evident, reţeaua telefonică a fost proiectată pentru a asigura conversaţia între persoane, ceea ce înseamnă că semnalele audio acceptate de PSTN au o frecvenţă între 400 Hz şi 3400Hz. De aceea, semnalul de la ieşirea DTE trebuie convertit într-o formă compatibilă cu semnalul audio, trimis pe linie şi reconvertit la recepţie într-o formă binară. Circuitul ce realizează prima funcţie se numeşte modulator (la emisie), iar cel ce realizează funcţia inversă demodulator (la recepţie). Deoarece fiecare echipament realizează atât funcţia de emisie cât şi pe cea de recepţie au fost realizate aparate combinate cunoscute sub numele de modem. Modularea

23 Există trei tipuri de modulare ce pot fi folosite pentru conversia unui semnal binar într-o formă adecvată pentru transmiterea prin PSTN: modulare în amplitudine, modulare în frecvenţă şi modulare în fază. Principiul general al fiecărui tip de modulare este prezentat în figurile 2.6 şi 2.7. În cazul modulării în amplitudine AM, nivelul în amplitudine al semnalului de audio frecvenţă este comutat între două valori în funcţie de semnalul binar transmis. Acest tip de modulare (destul de simplu) este vulnerabil la diferitele atenuări ce apar datorită diverselor rute telefonice ce trebuie parcurse. Modularea în amplitudine simplă nu prea se foloseşte decât în combinaţie cu un alt tip de modulare. În cazul modulării în frecvenţă FM, frecvenţa unui semnal purtător de amplitudine fixă este modificată în funcţie de fluxul binar ce trebuie transmis. Deoarece sunt necesare numai două valori ale frecvenţei pentru date binare acest tip de modulare se mai numeşte "digital FM" (sau principiul schimbării frecvenţei frequency shift keying FSK). Modularea în frecvenţă este foarte folosită în modemuri cu rate de baud conectate la PSTN

24 Pentru modularea în fază PM, frecvenţa şi amplitudinea purtătoarei sunt menţinute constante. În funcţie de fluxul de date binare ce trebuie transmis, purtătoarea este decalată în fază. O formă de modulare în fază foloseşte două semnale purtătoare fixe (pentru "1" binar şi pentru "0" binar) cu o diferenţă de fază între ele de 180 o. Această metodă este cunoscută sub numele de principiul schimbării fazei. Dezavantajul metodei constă în faptul că la recepţie trebuie păstrat un semnal referinţă faţă de care să se compare faza semnalului recepţionat. Acest tip de modulare în fază implică la recepţie circuite foarte complexe motiv pentru care în practică nu prea este folosit. O altă formă de modulare în fază foloseşte introducerea unui defazaj al semnalului purtător la fiecare bit transmis. Astfel, dacă bitul curent ce trebuie transmis este 0 se introduce un defazaj de 90 o, iar dacă bitul este 1 un defazaj de 270 o. În acest fel circuitul de demodulare nu trebuie să determine decât modificările de fază. Demodularea Pentru a înţelege modul în care diferitele semnale modulate sunt demodulate la recepţie pentru a reproduce fluxul de date transmis este necesară înţelegerea unor proprietăţi importante ale acestor tipuri de semnale. În continuare se va face o analiză calitativă a diverselor efecte ce trebuie avute în vedere în timpul procesului de demodulare (analiza calitativă matematică este foarte complexă). 1. Când un semnal purtător de o frecvenţă fixă fc este modulat de un al 2 lea semnal de frecvenţă fixă fm sunt produse şi un număr de componente numite benzi laterale. În cazul modulării în amplitudine AM sunt generate numai două benzi laterale la frecvenţele fc+fm, respectiv fc fm fiecare având o parte din puterea conţinută de purtătoare. Benzile laterale sunt cele ce conţin informaţia utilă. În cazul PM şi FM sunt generate mai multe benzi laterale la frecvenţe ce diferă de fc prin multipli de fm (fc+fm, fc+2fm etc.). Amplitudinea acestora se determină folosind funcţiile Bessel. 2. Folosind metode matematice cum ar fi analiza Fourier, se poate arăta că o undă echivalentă unui şir repetitiv 0,1,0,1... este formată dintr-un număr infinit de componente sinusoidale. Acestea cuprind o frecvenţă fundamentală fn egală cu jumatate din rata de transfer şi multipli ai acestei frecvenţe (3fn, 5fn, 7fn...) numite armonici. Amplitudinea armonicilor scade odată cu creşterea frecvenţei. 3. Un caz limită este când fluxul de date ce trebuie transmis este format dintr-un şir de tranziţii 0,1,0,1,... (undă pătratică), celălalt caz limită fiind când semnalul are frecvenţa 0 (echivalent unui şir continuu de 0 sau 1). Se poate trage concluzia că semnalul generat prin modularea unei purtătoare sinusoidale cu un flux de date binar este format din semnalul purtător plus un număr posibil infinit de componente ce conţin informaţia utilă. Deoarece puterea cea mai mare este conţinută de frecvenţa fundamentală şi primele benzi laterale, în practică este posibilă determinarea informaţiei transmise prin analizarea unei benzi de frecvenţe limitată

25 Se poate considera că un semnal modulat în frecvenţă este compus din două purtătoare diferite una pentru bit 0, iar cealaltă pentru bit 1 fiecare dintre ele fiind activată şi anulată la frecvenţa de

26 transmisie maximă (figura 2.9 a). Spectrul de frecvenţă al acestui tip de semnal este prezentat în figura 2.9 b

27 - 27 -

28 Tehnici de modulare mixtă În exemplele discutate până acum rata de transmisie a fluxului de biţi a fost aceeaşi cu rata de modificări a semnalului folosit pentru transmisie. Rata semnalului este dată de numărul de modificări pe secundă ale amplitudinii, frecvenţei sau fazei semnalului transmis. Rata semnalului se măsoară în baud. În exemplele prezentate pentru transmiterea unui bit s au folosit două valori ale semnalului (corespunzătoare pentru bit 0 sau bit 1). Fiecare element al unui semnal poate conţine sub o formă codificată 2 sau 3 biţi (pentru 3 biţi sunt necesare 8 valori ale unui element de semnal). Astfel se obţine o rată a biţilor transmişi de 2 sau 3 ori mai mare decât rata semnalului. În figura 2.10 este reprezentat spectrul frecvenţelor în cazul comunicaţiei prin modem, iar în figura 2.11 este prezentat un exemplu de modulare în fază în care sunt folosite 4 modificări diferite ale fazei, fiecare corespunzând unei combinaţii de 2 biţi. Rata de transmisie a biţilor poate fi în continuare crescută prin combinarea AM şi PM

29 4. Surse de atenuare şi distorsiuni a) Atenuarea În timpul propagării unui semnal printr-o linie de transmisie, amplitudinea semnalului scade. Acest fenomen este cunoscut sub numele de atenuarea semnalului. Datorită acestui efect au fost definite lungimi maxime pentru diferite tipuri de cabluri astfel încât la recepţie semnalul atenuat să poată fi totuşi interpretat corect. Dacă este nevoie de cabluri mai lungi, atunci trebuie folosite amplificatoare (repetoare) inserate de-a lungul liniei cu rolul de a reface nivelul iniţial al semnalului. Atenuarea are valori diferite în funcţie de frecvenţa semnalului. Deoarece un semnal transmis este alcătuit din mai multe componente de frecvenţe diferite, amplificatoarele sunt proiectate astfel încât să amplifice diferit semnalele în funcţie de frecvenţa lor. Aceste amplificatoare se numesc egalizoare. Un semnal numeric este format dintr-un mare număr de componente de diferite frecvenţe dintre care sunt recepţionate numai cele ce se încadrează în banda de frecvenţă acceptată de mediul de transmisie. Cu cât banda de frecvenţă este mai mare cu atât numărul componentelor recepţionate este mai mare şi se poate reproduce mai exact semnalul transmis. Pentru a determina rata maximă de transmisie printr-un anumit mediu în funcţie de banda de frecvenţă se poate folosi formula lui Nyquist. R = 2 log 2 M bps R - rata de transmisie bps B - banda de frecvenţă Hz M numărul de nivele pentru un element transmis. b) Zgomotul În absenţa unui semnal transmis pe linie nivelul semnalului electric ar trebui să fie zero (cazul ideal). În realitate, datorită perturbaţiilor pe linie valoarea acestuia este diferită de zero fiind cunoscută sub numele de "nivel de zgomot al liniei". Un parametru important al unui mediu de transmisie este raportul semnal-zgomot. Acesta se exprima de obicei în db. S/N = 10 log 10 (S/N) db S - puterea semnalului W N - puterea zgomotului W Rata de transmisie maximă (teoretică) a unui mediu de transmisie în funcţie de raportul S/N se poate determina cu formula Shannon - Hartley

30 R = B log 2 (1+S/N) bps R - rata de transfer maximă bps B - banda de frecvenţă Hz S - puterea semnalului W N - puterea zgomotului W Una din sursele de zgomot este diafonia. Aceasta a fost discutată la liniile deschise din două fire. O altă formă de zgomot este zgomotul de tip impuls. Acesta este produs de impulsuri electrice exterioare liniei, datorate funcţionării unor echipamente sau circuitelor de comutare în cazul PSTN. Spre deosebire de aceste tipuri de zgomote având o cauză electrică, un al 3-lea tip, zgomotul termic, nu este dependent de cauze externe liniei. Acesta este produs de agitaţia termică a electronilor din fiecare atom al materialului din care este făcută linia de transmisie. Zgomotul termic este nul numai pentru o temperatură absolută zero. Mai este cunoscut şi sub numele de zgomot alb. Legea Shannon- Hartley calculează rata de transmisie maximă teoretică. În practică, se are în vedere efectul minim de semnal, relativ la un anumit nivel al zgomotului, astfel încât să se obţină o anumită rată a erorilor. De exemplu, o rată a erorilor de 10-4 înseamnă că la 10 4 biţi transmişi, unul este eronat. Energia pentru un bit a unui semnal este dată de formula: E = ST E - energia Joules S - puterea semnalului W T - perioada de timp pentru 1 bit sec. dar R = 1/T = rata de transmisie rezultă că: E = S/R watts/bit Nivelul zgomotului termic pentru o bandă de frecvenţă de 1 Hz este dat de formula: N 0 = KT W/Hz K - constanta lui Boltzmann (1,3803*10-23 J/K) T - temperatura K

31 În practică rata erorilor se determină cu formula: E/N 0 = (S/R)/N 0 = (S/R)/KT (N 0 /E) deci este dependentă de puterea semnalului, de rata de transmisie (frecvenţă) şi temperatură. 5. Semnale pentru cablul coaxial Spre deosebire de banda de frecvenţă scăzută disponibilă în cazul PSTN, în cazul folosirii cablului coaxial aceasta creşte foarte mult ajungând la 350 MHz sau chiar mai mult. Această bandă de frecvenţă largă poate fi folosită în două moduri: 1. pentru realizarea unui singur canal de transmisie, caz în care toată banda este folosită pentru transmiterea unui singur semnal cu o rată foarte mare ( aprox. 10 Mbps) baseband (figura 2.12). 2. pentru realizarea mai multor subcanale de transmisie fiecare având o bandă de frecvenţă mai îngustă - broadband (figura 2.13). Pentru primul mod de lucru, în figura 2.12, se prezintă o conexiune tipică. În această figură este de asemenea prezentat efectul adaptării de impedanţă prin rezistenta R T (ce trebuie să aibă valoarea Z 0 ). În unele aplicaţii, cablul este folosit exclusiv pentru transmiterea de date între două DTE - conexiune point-to-point. În alte aplicaţii, însă, cablul este partajat între mai multe sisteme. Modul prin care se realizează partajarea unui canal de transmisie (baseband) între mai multe DTE se numeşte time - division multiplexing (TDM). Există două tipuri de TMD: 1. sincron : fiecare utilizator are acces la canal la intervale de timp precis definite. 2. asincron (la cerere): utilizatorii au acces la canal la cerere. Dacă cererea de acces a fost acceptată, acesta este singurul utilizator al canalului pe durata transmisiei

32 - 32 -

33 - 33 -

34 II Interfeţe standard la nivelul fizic 1. RS 232C/V.24 Standardele RS 232C şi V24 au fost elaborate iniţial în vederea conectării unui terminal sau calculator la un modem (DCE). În figura 2.15(a) este reprezentată schematic poziţia interfeţei relativ la DTE şi DCE. În cadrul acestui standard au fost definite câteva semnale de control necesare pentru folosirea interfeţei. Acestea sunt prezentate în figura 2.15(b). TxD şi RxD sunt pinii corespunzători liniilor de transmisie respectiv recepţie date. Celelalte linii realizează funcţii de timing şi control privind conectarea şi deconectarea într-o reţea PSTN

35 Toate liniile prezentate folosesc nivelele de semnal prezentate în cadrul standardului. În figura 2.16 sunt prezentate funcţiile diverselor semnale şi modul de operare. Dacă linia la care este conectat calculatorul este liberă şi calculatorul este pregătit pentru comunicaţie, atunci operatorul trebuie să apese un buton special numit DATA BUTTON. Astfel se iniţiază conectarea terminalului la linie. Modemul local răspunde prin punerea liniei DSR (data set ready) pe ON. În acest moment un LED asociat acestei linii se aprinde indicând faptul că legatura cu calculatorul a fost stabilită

36 - 36 -

37 Când se formează numărul, modemul local al calculatorului pune semnalul RI (ring indicator) pe ON şi în cazul în care calculatorul este gata să recepţioneze cererea (semnalul DTR (data terminal ready) este ON) acesta răspunde prin semnalul RTS (request to send). Aceasta are două efecte: 1. modemul corespunzător calculatorului apelat emite un semnal purtător indicând că cererea a fost acceptată de calculator. 2. după o scurtă întârziere, pentru a permite modemului corespunzător terminalului să se pregătească pentru a recepţiona date, modemul calculatorului activează semnalul (clear to send) CTS indicând astfel calculatorului că poate începe să transmită date. De obicei, calculatorul apelat răspunde prin transmiterea către terminal a unei invitaţii mesaj sau caracter. După aceasta calculatorul se pregăteşte să recepţioneze răspunsul terminalului prin dezactivarea semnalului RTS ce are ca efect întreruperea semnalului purtător. Când modemul terminalului detectează lipsa purtătoarei, dezactivează semnalul CD (OFF). Atunci terminalul activează RTS şi la primirea semnalului CTS de la modemul local, utilizatorul tastează mesajul de răspuns (la activarea CTS se comandă de obicei şi un LED local). După efectuarea completă a transferurilor de date, ambele purtătoare sunt anulate şi legătura stabilită între echipamente este dezactivată. Conexiunea ilustrată în figura 2.16 este de tip half duplex. Ea prezintă dezavantajul timpului mare de comutare între starea recepţie şi starea transmisie. De aceea ori de câte ori este posibil se recomandă folosirea modului full duplex ce permite execuţia simultană a funcţiilor de emisie şi recepţie. În cazul conexiunii full duplex semnalele RTS ale ambelor echipamente sunt permanent ON (purtătoare permanente) şi de asemenea semnalele CTS sunt menţinute ON de către modemuri. Când se foloseşte o transmisie sincronă (va fi descrisă în capitolul 3) este necesară folosirea unui semnal de tact pentru sincronizare. Mai mult, dacă se folosesc modemuri sincrone ambele funcţii de modulare şi demodulare necesită semnale de tact. Aceste semnale de tact circulă dinspre modem spre DTE pe liniile corespunzătoare pinilor 15 şi 17. Dacă modemul cu un element de semnal realizează transmisia unui singur bit atunci semnalul de tact transmis de către DTE pentru realizarea sincronizării şi rata de recepţie sunt egale. Dacă un element de semnal conţine doi biţi atunci tactul este de două ori mai mare decât rata semnalului. MODEM NUL Cu timpul, interfaţa RS 232C/V.24 a fost adoptată ca o interfaţă standard pentru interconectarea unui calculator cu un periferic ce lucrează în mod caracter (videoterminal, imprimantă, etc.). Pentru acest tip de utilizare este necesar să se stabilească care din cele două echipamente va emula modemul, deoarece în mod evident ambele echipamente nu pot transmite şi recepţiona date pe aceleaşi linii

38 În această situaţie există trei soluţii posibile: 1) modemul este emulat de către terminal; 2) modemul este emulat de către calculator; 3) terminalul şi calculatorul rămân neschimbate şi se modifică modul de interconectare a liniilor. Primele două soluţii prezintă dezavantajul că terminalul sau calculatorul nu mai pot fi folosite direct cu un modem. A treia soluţie este foarte răspândită, dar ea necesită folosirea modemului nul (cutie de comutare). Acesta se intercalează între terminal şi calculator pentru a realiza modificările necesare în ceea ce priveşte interconectarea liniilor. Aceste modificări sunt prezentate în figura Deoarece un calculator şi un terminal operează de obicei în modul full duplex liniile RTS şi CTS sunt conectate împreună şi cu intrarea CD a celuilalt echipament. Similar liniile DSR şi RI sunt conectate împreună şi la intrarea DTR a echipamentului opus RS 449/V.35 RS 449/V.35 este interfaţa corespunzătoare semnalelor electrice din standardul RS 422. Câteva din semnalele de control specificate de acest standard sunt arătate în figura Semnalele diferenţiale folosite de RS 422 impun existenţa a două fire pentru fiecare linie. Semnalul DM corespunde semnalului DSR de la RS 232C, iar RR corespunde semnalului DTR. Un semnal specific standardului RS 449 este TM. Acesta se foloseşte pentru testarea echipamentului de comunicaţie prin readucerea ieşirii TxD prin modem la intrarea RxD. Astfel prin teste emise de DTE se poate determina mai uşor care modem este defect

39 II Definiţii şi noţiuni de bază privind transmisia de date Definiţie: Prin comunicaţie de date se înţelege schimbul de informaţie numerică codificată între două DTE. Trebuie făcută distincţia între termenii "dată" şi "informaţie". Termenul "dată" este folosit pentru a desemna un set sau un bloc de caractere numerice sau alfabetice codificate ce sunt schimbate între două echipamente. În cadrul comunicaţiei de date în afara transferului acestui tip de date este de asemenea necesar ca cele două echipamente să schimbe şi diverse mesaje de control (de exemplu pentru a preveni sau corecta erorile de transfer). De aceea termenul de informaţie este folosit cu un înteles mai larg desemnând atât date cât şi mesaje de control. Comunicaţia de date se ocupă nu numai cu modul de transmisie a datelor printr-un mediu de transmisie fizic ci şi cu tehnicile ce trebuie folosite pentru detectarea şi corectarea erorilor de transmisie, cu controlul ratei de transfer a datelor şi stabilirea formatului datelor ce trebuie transferate. Din punct de vedere al numărului de linii ce interconectează două echipamente se deosebesc două tipuri de conexiuni: 1. modul de transfer paralel presupune folosirea câte unui fir pentru fiecare bit de date (al unui cuvânt). Aceasta înseamnă că mai multe fire sunt folosite pentru interconectarea a două DTE. Din acest motiv modul de transfer paralel nu se foloseşte decât în cazul în care distanţa între DTE este mică. 2. modul de transfer serial presupune folosirea unei singure perechi de fire pentru interconectarea echipamentelor

40 La un moment dat pe linie se transmite un singur bit, pentru fiecare bit fiind alocat un interval de timp fix. Viteza de transfer este mai mică decât în cazul 1 dar distanţa între DTE poate fi mult mai mare. Cele două moduri de operare sunt reprezentate în figura 3.1. Comunicaţia de date între două echipamente se poate realiza în trei moduri: 1. simplex: presupune transmisia datelor într-o singură direcţie. 2. half duplex: presupune transferul de date alternativ între cele două echipamente. Când unul din echipamente se află în starea de emisie celălalt se află în recepţie. 3. duplex (full duplex): presupune schimbul de date în ambele direcţii simultan. Datele ce sunt transferate între două DTE sunt formate din unităţi de lungime fixă, de obicei de câte 8 biţi. De exemplu când un terminal comunică cu un calculator fiecare caracter tastat este codificat într-o valoare binară de 8 biţi, întregul mesaj fiind format dintr-un şir de astfel de caractere codificate. Deoarece fiecare caracter este transmis serial, echipamentul receptor pentru a decodifica şi interpreta corect biţii transmişi trebuie să cunoască: rata de emisie a biţilor (durata unei celule bit); începutul şi sfârşitul fiecărui caracter (octet); începutul şi sfârşitul fiecărui mesaj complet (bloc). Aceşti trei factori sunt cunoscuţi sub numele de sincronism la nivel de bit, sincronism la nivel de caracter şi sincronism la nivel de bloc. Din acest punct de vedere comunicaţia între două echipamente poate fi de două tipuri: 1) asincronă dacă ceasul receptorului este independent de cel al emiţătorului. 2) sincronă dacă ceasurile emiţătorului şi receptorului sunt sincrone. În cazul în care datele ce trebuie transmise sunt formate din caractere separate de intervale de timp de lungime aleatoare atunci fiecare caracter este transmis independent şi receptorul se sincronizează la începutul fiecărui nou caracter primit. Pentru acest tip de comunicaţie se foloseşte transmisia asincronă. În cazul în care datele ce trebuie transmise sunt formate din blocuri conţinând mai multe caractere (octeţi) fiecare, ceasurile emiţătorului şi receptorului trebuie să se afle în sincronism pentru mai mult timp şi de aceea se foloseşte transmisia sincronă

41 Transmisia asincronă Această metodă este folosită atunci când datele ce trebuie transmise sunt generate la intervale de timp aleatoare de exemplu atunci când un utilizator comunică de la un videoterminal cu un calculator. În acest caz intervalul de timp între două caractere tastate este de lungime aleatoare. Aceasta înseamnă că pe linia de transmisie semnalul va fi pentru un timp mai lung în starea de idle (off). În cazul acestui tip de comunicare este necesar ca receptorul să fie capabil să se resincronizeze la începutul fiecărui nou caracter recepţionat. Pentru a realiza acest lucru trebuie ca fiecare caracter să fie încadrat de un bit de start şi unul sau mai mulţi biţi de stop aşa cum se arată în figura

42 Aşa cum se poate observa în figură polaritatea bitului de start este diferită de cea a biţilor de stop. Astfel se asigură cel puţin o tranziţie (1 0 1) între două caractere consecutive indiferent de secvenţa de biţi ce trebuie transmisă. Prima tranziţie 1 0 după un interval de linie liberă este folosită de echipamentul receptor pentru a determina începutul fiecărui nou caracter. În plus, folosind un ceas cu o frecvenţă de N ori mai mare decât frecvenţa de emisie (de obicei N=16), echipamentul receptor poate determina mai exact valoarea fiecărui bit transmis prin eşantionarea semnalului recepţionat aproximativ în centrul fiecărei celule bit. Din cele prezentate rezultă că pentru transmiterea unui octet de informaţie utilă se folosesc de fapt 10 sau 11 biţi. Deci, dacă presupunem o rată de emisie de 1200 bps atunci în cazul folosirii a doi biţi de stop se obţine o rată de 1200/11 aprox. 110 bytes pe secundă. Rata de emisie folosită în realitate este de fapt mai mică din motive ce vor fi discutate mai târziu. Când se defineşte rata de emisie a unei linii se foloseşte de obicei termenul "baud". În înţelesul său corect, termenul indică numărul de tranziţii pe secundă ale semnalului transmis pe linie. În cazul în care fiecare element de semnal poate lua numai două valori atunci baud este echivalent cu bps. Dar, aşa cum s-a arătat în capitolul 1, în unele cazuri se folosesc mai mult de două nivele pentru un element de semnal (un element de semnal codifică mai mulţi biţi). Astfel, un semnal cu o rată de 300 baud şi 4 biţi pentru un element de semnal poate fi folosit pentru transmisia informaţiei cu o rată de 1200 bps. Transmisia sincronă În cazul transmisiei asincrone folosirea biţilor adiţionali (de start şi stop) este nesemnificativă datorită intervalelor mari de timp între două caractere

43 Uneori este necesară însă transmisia unor blocuri de date de lungime mare (transmisia de fişiere între două calculatoare). În acest caz folosirea biţilor suplimentari la fiecare caracter devine supărătoare. Totodată, datorită mecanismului de sincronizare folosit de schema asincronă, aceasta nu poate funcţiona fără erori decât până la aprox bps. Alternativa eficientă în aceste situaţii este transmiterea unui bloc complet ca o singură entitate, adică transmisia sincronă. Pentru a permite echipamentului receptor să se sincronizeze trebuie respectate condiţiile: fluxul de biţi transmis să fie astfel codificat încât receptorul să poată fi menţinut în sincronism la nivel de bit; toate blocurile transmise să fie precedate de unul sau mai multe caractere speciale astfel încât la recepţie să poată fi delimitaţi corect octeţii (sincronism la nivel de caracter); conţinutul fiecărui bloc să fie delimitat de o pereche de caractere speciale. Ultima condiţie permite receptorului să determine începutul unui nou bloc atunci când a primit un caracter special (de start) după o perioadă liberă. În intervalul de timp dintre două blocuri, fie sunt transmise continuu caractere de sincronizare (pentru a întreţine sincronismul receptorului la nivel de bit şi byte), fie blocurile sunt precedate de unul sau mai mulţi octeţi de sincronizare (permiţând astfel receptorului să revină în sincronism). Transmisia sincrona este prezentată schematic în figura 3.3. În cadrul transmisiei sincrone este necesar să se asigure că octeţii sau caracterele de sincronizare să fie unice adică să nu fie prezente şi în conţinutul blocului ce se transmite. II Circuite de control al transmisiei

44 Aşa cum s-a arătat, între două DTE datele sunt transmise serial (elemente de câte 8 biţi) folosind fie modul sincron fie pe cel asincron (figura 3.4). În interiorul DTE fiecare element este memorat şi transferat într-o formă paralelă. Din acest motiv circuitele de control al transmisiei din cadrul fiecărui DTE ce reprezintă de fapt interfaţa între DTE şi legătura serială trebuie să realizeze următoarele funcţii: 1. conversie paralel serie în vederea pregătirii elementului pentru a fi transmis pe linie; 2. conversie serie paralel a fiecărui element recepţionat în vederea memorării şi prelucrării sale în interiorul DTE; 3. folosirea metodei adecvate la recepţie pentru a realiza sincronismul la nivel de bit, caracter sau bloc; 4. generarea unor biţi cu scopul detectării erorilor de transmisie şi eventual detectarea acestor erori dacă apar. Pentru a satisface aceste cerinţe au fost proiectate circuite integrate speciale. 1 Transmisia asincronă Circuitul de interfaţă folosit pentru realizarea transmisiei asincrone este cunoscut sub denumirea Universal Asynchronous Receiver and Transmiter sau simplu UART. Este numit universal pentru că de obicei poate fi programat de către utilizator prin cuvinte de control predefinite ce selectează diverse moduri de operare. În figura 3.5 este prezentat un UART tipic. Pentru a folosi un astfel de UART în primul rând registrul de mod trebuie încărcat cu o anumită valoare prin care se selectează modul de funcţionare. Această operaţie poartă numele de iniţializare. De obicei, utilizatorul poate selecta 5,6,7 sau 8 biţi/caracter, paritate pară, impară sau fără paritate, unul sau mai mulţi biţi de stop şi rata de emisie sau recepţie. Rata de emisie este selectată dintr-o gamă de valori standard cuprinse de obicei între 50 bps şi bps

45 În figura 3.6 sunt arătate semnificaţiile diverşilor biţi de control pentru modulul INTEL Exemplu: dacă octetul încărcat în registrul de mod este (4DH) atunci UART-ul va lucra cu 7 biţi/caracter, paritate pară, un bit de stop şi un ceas extern având o frecvenţă de 16 x rata biţilor. Unitatea de control a DTE-ului determină starea UART-ului prin citirea conţinutului registrului de stare şi testarea anumitor biţi din cadrul acestuia

46 Aceşti biţi sunt de obicei numiţi indicatori. Folosirea lor diferă de la circuit la circuit. Pentru a folosi un astfel de circuit pentru transmisia unui caracter, unitatea de control citeşte mai întâi octetul de stare şi testează bitul T x BE. Dacă acesta este 1 aceasta înseamnă că octetul anterior a fost transferat din buffer în registrul de emisie de unde a fost shift-at serial pe linie. După ce şi ultimul bit de stop a fost transmis, unitatea de control comandă încărcarea în buffer-ul de emisie a unui nou

47 caracter, T x BE fiind adus în 0. De câte ori caracterul este transferat din buffer în registrul de emisie T x BE este pus pe 1. Totodată de câte ori un caracter este încărcat în bufferul de emisie un circuit auxiliar calculează bitul de paritate (dacă acest lucru a fost cerut). Când întregul caracter (date + paritate) este transferat în registrul de emisie i se adaugă biţii de start şi stop şi este transmis pe linie. A. Emisia Unitatea de control citeşte octetul de stare şi testează bitul T x BE. Dacă acesta este "1" logic înseamnă că buffer-ul de emisie este gol (caracterul precedent a fost transferat din buffer-ul de emisie în registrul de emisie de unde a fost emis serial pe linia de comunicaţie). Buffer-ul este acum pregătit pentru încărcarea unui nou caracter. Unitatea de control dă comanda pentru încărcarea unui nou caracter în buffer-ul de emisie. Logica de control din interiorul UART transferă acest caracter în registrul de emisie imediat ce ultimul bit de stop al caracterului precedent a fost emis. De câte ori un caracter este încărcat în buffer-ul de emisie, bitul T x BE este resetat (adus în "0"). Similar, de câte ori logica de control internă a UART-ului transferă un caracter din BT în RT, bitul T x BE este setat ("1"). În momentul încărcării unui caracter în buffer-ul de emisie, logica de control calculează automat şi bitul de paritate, dacă aceasta a fost selectată. Când întregul caracter (date + bit de paritate) este transferat în registrul de emisie sunt inseraţi şi biţii de start şi stop. B. Recepţia UART-ul receptor trebuie programat să lucreze cu aceleaşi caracteristici ca cel emiţător. Când logica de control detectează prima tranziţie pe linia de recepţie (după un interval liber) ceasul receptorului trebuie resincronizat. Acest lucru este realizat de logica de control prin presetarea unui numărător. De exemplu, dacă UART-ul a fost programat să opereze cu x16 rata ceasului extern trebuie folosit un numărător modulo 16. La detectarea primei tranziţii acest numărător este setat la 8. Logica de ceas decrementează conţinutul acestuia după fiecare ciclu al ceasului extern. Deoarece o celulă bit durează 16 perioade de ceas, rezultă că numărătorul va ajunge în zero aproximativ la mijlocul celulei bitului de start. În continuare numărătorul trece din nou în 16 şi va ajunge în zero la mijlocul fiecărei celule bit. De fiecare dată când numărătorul ajunge în zero bitul identificat pe linia de transmisie este introdus în registrul de recepţie. Aceasta este ilustrată în figura

48 - 48 -

49 Acest proces continuă până când toţi biţii de date şi paritate sunt introduşi în registrul de recepţie. În acest moment întregul caracter este încărcat paralel în buffer-ul de recepţie. Bitul de paritate recepţionat este comparat cu bitul recalculat la recepţie şi dacă ei diferă este setat indicatorul PE. În acelaşi timp, la încărcarea buffer-ului de recepţie, este setat indicatorul R x BF. Registrul de stare conţine încă doi indicatori de eroare: FE (framing error) şi OE (overrun error). FE (eroare de încadrare) este setat atunci când un "0" logic (sau un bit de stop) nu este prezent pe linia de recepţie în momentul în care este aşteptat ultimul bit de stop la sfârşitul unui caracter recepţionat. Indicatorul OE este setat atunci când unitatea de control nu a reuşit să citească caracterul anterior din buffer-ul de recepţie înainte ca următorul caracter recepţionat să fie transferat în buffer. Setarea acestor indicatori nu inhibă funcţionarea UART-ului ci numai semnalează unităţii de control că a fost detectată o eroare. UART-ul conţine o secţiune de recepţie şi una de emisie ce operează independent una de cealaltă. Astfel este posibil să se controleze cu un singur UART o legatură de tip full-duplex. Majoritatea UART-urilor dispun de linii de control ce permit interfaţarea directă cu un modem. 2 Transmisia sincronă De multe ori transmisia sincronă este deosebită de cea asincronă prin natura elementelor transmise (blocuri sau caractere). De fapt deosebirea majoră între cele două tipuri de comunicaţie este reprezentată de sincronizarea sau nesincronizarea ceasurilor la emisie şi recepţie. Transmisia sincronă ar putea fi realizată prin folosirea unei linii de legătură suplimentare prin care să se emită ceasul de sincronizare T x Clk. Astfel, echipamentul receptor poate determina exact momentul în care a fost emis un nou bit. În practică nu se foloseşte această linie suplimentară, informaţia de ceas fiind conţinută în unda transmisă. Prin această metodă tactul de eşantionare la recepţie trebuie extras din fluxul de date primit cu ajutorul unui circuit specializat. Există două moduri de realizare a comunicaţiei sincrone: 1. orientată pe caracter; 2. orientată pe bit. Diferenţa majoră între cele două metode constă în modul în care este detectat începutul şi sfârşitul unui element transmis. În cadrul metodei orientate pe bit receptorul poate detecta sfârşitul elementului la orice bit (nu numai la biţi multipli de 8). Aceasta face ca elementul să poată avea o lungime de N biţi nu neapărat multiplu de 8. În practică această metodă este mai puţin folosită deoarece majoritatea aplicaţiilor folosesc elemente formate din octeţi. A. Transmisia sincronă orientată pe caracter În cazul acestei metode elementele ce trebuie transmise sunt formate din caractere de 7 sau 8 biţi ce sunt emise sub forma unui şir continuu de biţi fără întârzieri între ei

50 Echipamentul receptor pentru a realiza sincronizarea trebuie să fie în stare să: detecteze începutul şi sfârşitul fiecărui caracter (sincronism la nivel de caracter); detecteze începutul şi sfârşitul fiecărui element (bloc) complet (sincronism la nivel de bloc). Pentru realizarea acestor lucruri au fost oferite diverse soluţii, obiectivul principal fiind de a face procesul de sincronizare independent de conţinutul blocului de date. Schema cea mai răspândită este cea folosită de protocolul de control sincron numit Basic Mode. Acest protocol este folosit pentru transferul informaţiei alfanumerice între terminale inteligente şi calculator. În figura 3.8 este prezentată una din formele acestui protocol. (a) Direc]ia transmisiei SY N SY N STX ETX Caractere de sincronizare (b) Caracter de \nceput de cadru Con]inutul cadrului Direc]ia transmisiei SY N SY N SY N Caracter de sf@r[ it de cadru Receptorul intr# \n modul urm#rire Receptor nesincronizat STX Receptorul intr# \n sincronism Receptor \n sincronism Con]inutul cadrului (c) Direc]ia de transmisie DL E inserat SY N SY N DL E STX --- DL E DL E --- DL E ETX FIGURA 3.8 Secven]a de \nceput de cadru Con]inutul cadrului Secven]a de sf@r[ it de cadru Transmisie orientat# pe caractere: (a) formatul standard al cadrului; (b) sincronizare la nivel de caracter; (c) transparen]a datelor

51 În cadrul protocolului Basic Mode sincronizarea la nivel de caracter se realizează prin transmisia a două sau mai multe caractere de sincronizare (SYN) imediat înaintea fiecărui bloc de date. Receptorul, la pornire sau după o perioadă liberă, urmăreşte bit cu bit fluxul recepţionat până când detectează caracterul de sincronizare cunoscut. În acest moment receptorul a realizat sincronizarea la nivel de caracter, în continuare şirul de biţi fiind tratat ca o secvenţă continuă de caractere de 7 sau 8 biţi (după cum a fost programat UART ul). În protocolul Basic Mode caracterul de sincronizare SYN ( ) este unul din caracterele rezervate din setul de coduri de caractere definit de ISO. Din acest set fac parte şi caracterele de început (STX) şi sfârşit (ETX) de bloc. Toate caracterele sosite după un caracter STX sunt comparate cu codul ETX. În cazul în care caracterul recepţionat nu este ETX atunci el este memorat. Dacă este un caracter ETX recepţia blocului se încheie putându se trece la prelucrarea informaţiei recepţionate. Această variantă este satisfacătoare atunci când informaţia transmisă este formată din caractere tipăribile (de exemplu introduse de la tastatură). În acest caz nu este posibilă prezenţa accidentală a unui caracter ETX în interiorul blocului. Dacă acest lucru se întâmplă, recepţia se termină anormal. În unele aplicaţii însă conţinutul blocului poate fi un fişier binar. În acest caz trebuie făcute unele operaţii suplimentare pentru a putea identifica în mod corect sfârşitul de bloc. Acesta este modul "data transparent" (independent de date) şi foloseşte o pereche de caractere pentru identificarea atât a începutului cât şi a sfârşitului de bloc. Detecţia incorectă a sfârşitului de bloc se elimină în felul următor: de câte ori emiţătorul întâlneşte în interiorul blocului un caracter DLE, el inserează după acesta încă un caracter DLE. La recepţie, acest al 2-lea caracter va fi eliminat. Receptorul determină astfel sfârşitul de bloc prin secvenţa unică DLE ETX. În varianta de transmisie orientată pe bloc de informaţie, erorile sunt detectate pe baza unor biţi suplimentari calculaţi pe baza conţinutului blocului şi transmişi după sfârşitul de bloc. Pentru a menţine independenţa faţă de conţinutul blocului, caracterele pentru verificarea erorilor sunt transmise după încheierea secvenţei de bloc. B. Transmisia sincronă orientată pe bit În varianta orientată pe bit, fiecare bloc transmis poate conţine un număr arbitrar de biţi care nu este neapărat multiplu de 8. În figura 3.9 este reprezentat un format tipic de bloc pentru transmisia orientată pe bit

52 (a) Direc]ia transmisiei linie liber# linie liber# Secv en] a de \nceput Con]inutul cadrului Secven]a de sf@r[ it (b) Direc]ia transmisiei Secv en] a de \nceput Bi]i zero insera]i Con]inutul cadrului Secven]a de sf@r[ it FIGURA 3.9 Conexiune orientat# pe bi]i: (a) formatul cadrului; ( b ) i n s e r a r e a b i ] i l o r z e r o Aşa cum se poate observa din figură indicatorul de început şi sfârşit de bloc este acelaşi. Pentru a asigura independenţa faţă de date este necesar ca acest indicator să nu poată fi prezent în conţinutul blocului. Acest lucru este realizat prin tehnica inserării unui bit "0" de câte ori echipamentul emiţător detectează în conţinutul blocului un şir continuu de 5 biţi "1". În acest fel secvenţa nu poate fi niciodată transmisă între începutul şi sfârşitul blocului. Receptorul, după detectarea indicatorului de început al blocului, contorizează biţii "1" consecutivi şi în cazul în care după 5 biţi "1" urmează un bit "0" acesta este eliminat. În varianta orientată pe byte fiecare bloc conţine la sfârşit biţi suplimentari pentru detectarea erorilor. Biţii "0" inseraţi şi eliminaţi nu sunt incluşi în procesul de detectare a erorilor. C. Universal Synchronous Receiver and Transmitter USRT Circuitele de interfaţă folosite pentru controlul comunicaţiei sincrone orientate pe caracter sunt cunoscute sub numele USRT. Termenul "universal" este folosit deoarece modulul este programabil şi caracteristicile sale de lucru pot fi modificate de către utilizator. În figura 3.10 se prezintă schematic structura unui USRT

53 Pentru a folosi un astfel de modul, în primul rând trebuie selectate caracteristicile de funcţionare prin încărcarea unei valori corespunzătoare în registrul de selecţie mod. Semnificaţia biţilor acestui registru în cazul modulului INTEL 8251 este prezentată în figura Biţii pentru selecţia lungimii şi paritaţii au acelaşi sens ca în cazul UART-ului. Bitul SCS permite utilizatorului să selecteze fie unul, fie două caractere de sincronizare SYN care preced fiecare bloc transmis

54 Unitatea de control determină starea curentă a USRT prin citirea conţinutului registrului de stare şi testarea unor biţi specifici cum ar fi cei din figura La începutul transmisiei unitatea de control iniţiază emiterea unor caractere de sincronizare pentru a permite receptorului să poată realiza sincronismul la nivel de caracter. Caracterele de sincronizare SYN sunt încărcate în buffer-ul de emisie atunci când T x BE devine "1". După emisia caracterelor de sincronizare se trece la emisia blocului de date. Acesta este transferat caracter cu caracter în bufferul de emisie, operaţia fiind controlată de starea bitului T x BE. După ce a fost transmis şi ultimul caracter al blocului, USRT automat începe să transmită caractere de sincronizare SYN până când unitatea de control este gata să transmită un nou bloc. În acest fel receptorul poate menţine sincronismul între două blocuri succesive. La echipamentul receptor unitatea de control setează USRT-ul în modul urmărire ceea ce face ca logica de control a acestuia să compare conţinutul buffer-ului de recepţie cu caracterul de sincronizare după fiecare nou bit recepţionat. Când a fost detectată o coincidenţă este setat bitul SYNDET care indică obţinerea sincronismului la nivel de caracter. În continuare receptorul aşteaptă un caracter STX care să indice începutul recepţiei unui bloc de date. Fiecare caracter al blocului este apoi preluat de unitatea de control sub controlul bitului R x BF până când este detectat caracterul ETX. În modul sincron toate datele sunt emise şi recepţionate cu o rată determinată de ceasurile de emisie şi recepţie. Ceasul de recepţie se obţine din unda recepţionată prin intermediul unui circuit de extragere a ceasului

55 II Sincronizarea la nivel de bit S-a arătat că în cazul comunicaţiei asincrone se foloseşte un ceas separat la recepţie a cărui frecvenţă este de câteva ori mai mare decât rata de comunicaţie. Apoi, la detectarea primei tranziţii a bitului de start al fiecărui caracter, receptorul, pe baza ceasului local, estimează centrul fiecărei celule bit. Această metodă este acceptabilă pentru transmisia asincronă din două motive: rata de transfer maximă folosită este relativ mică (aprox.19,2 Kbps); metoda de codificare asigură garanţia sincronizării la începutul fiecărui caracter. În cazul transmisiei sincrone, biţii de start şi stop nu sunt folosiţi. Fiecare bloc este transmis ca un flux continuu de cifre binare. De aceea este necesar să se utilizeze o metodă diferită de sincronizare la nivel de bit. O soluţie este evident de a folosi două perechi de linii între emiţător şi receptor : una pentru fluxul de date şi cealaltă pentru semnalul de ceas asociat. Această soluţie este însă foarte rar aplicată în practică deoarece într-o reţea telefonică este de obicei disponibilă o singură pereche de linii. Din acest motiv pentru realizarea sincronizării la nivel de bit s-au propus alte două soluţii: informaţia reprezentând semnalul de ceas este inclusă în fluxul de biţi şi este extrasă din aceasta de către receptor; informaţia ce trebuie transmisă este astfel codificată încât există suficiente tranziţii sigure în fluxul transmis pentru a sincroniza un circuit de ceas la receptor. 1 Codificarea ceasului şi extragerea acestuia În figura 3.12 sunt prezentate două metode de a include informaţia de ceas în fluxul de date transmis. În figura 3.12 (a) fluxul de biţi ce trebuie transmis este codificat astfel încât "1" binar este reprezentat printr-un impuls pozitiv în timp ce "0" binar este reprezentat printr-un impuls negativ. Această metodă de codificare este cunoscută sub numele de codificare bipolară. În cazul metodei de codificare bipolară fiecare celulă bit conţine şi informaţia de ceas care poate fi extrasă din unda transmisă printr-un simplu circuit de corecţie şi întârziere. Deoarece semnalul revine în zero după fiecare bit codificat el se numeşte cu întoarcere în zero -return to zero RZ-. Aşa cum se poate vedea din figură, semnalul RZ necesită trei nivele de amplitudine pentru a reprezenta fluxul de biţi. În contrast, semnalul ilustrat în figura 3.12 (b) necesită numai două nivele. Unda rezultată este numită fără întoarcere în zero -non return to zero NRZ- iar metoda de codificare se numeşte codificare în fază - phase (Manchester) encoding PE -. Circuitul pentru extragerea ceasului folosit în cazul metodei PE este ceva mai complicat şi se bazează pe existenţa unei tranziţii pozitive sau negative la mijlocul fiecărei celule bit. În cazul metodei bipolare ceasul extras este folosit pentru eşantionarea fluxului recepţionat la mijlocul fiecărei celule bit, în timp ce în cazul metodei PE fluxul de biţi este eşantionat în a doua jumătate a fiecărei celule bit

56 2 Codificarea datelor şi sincronizarea la nivel de bit O a doua soluţie este de a utiliza o sursă de tact stabilă a receptorului care să fie menţinută în sincronism cu fluxul ce se recepţionează. Deoarece în cazul transmisiei sincrone nu există biţi de start şi stop, informaţia trebuie să fie astfel codificată încât să existe suficiente tranziţii care să permită resincronizarea ceasului receptorului la anumite intervale de timp. Pentru rezolvarea acestei probleme există două soluţii: 1. datele ce trebuie transmise sunt trecute printr-un circuit de amestec ce are rolul de a înlătura şiruri continue de 1 sau

57 2. datele sunt astfel codificate încât să fie garantată prezenţa naturală permanentă a tranziţiilor. În figura 3.13 se prezintă modul de codificare NRZI (non return to zero inverted) comparativ cu NRZ. În cazul modului de codificare NRZI (ce se mai numeşte şi codificare diferenţială) nivelul semnalului se modifică în cazul transmiterii unui bit 0 şi rămâne nemodificat pe bit 1. Aceasta însemnă că un semnal NRZI va conţine întotdeauna tranziţii cu excepţia cazului în care fluxul transmis conţine un şir continuu de 1. Pentru a înlătura această situaţie se poate adopta metoda inserării de zero-uri după fiecare 5 biţi "1" consecutivi. Unda rezultată va conţine în mod sigur tranziţiile necesare pentru sincronizarea receptorului. Circuitul folosit pentru menţinerea sincronizării la nivel de bit este cunoscut sub numele de DPLL (digital phase locked loop). DPLL funcţionează pe baza unui oscilator controlat de cuarţ având o frecvenţă suficient de stabilă care nu necesită decât mici ajustări la intervale de timp neregulate. De obicei frecvenţa oscilatorului este de 32 ori mai mare decât rata de transfer. Presupunând că fluxul de biţi transmişi şi ceasul local sunt în sincronism, starea semnalului de pe linie va fi determinată prin eşantionare la centrul fiecărei celule bit. Perioada de eşantionare este de 32 ori mai mare decât perioada ceasului local aşa cum se arată în figura 3.14 (a). În cazul în care fluxul de biţi receptionaţi şi ceasul local ies din sincronism reglarea momentelor de eşantionare se face ca în figura 3.14 (b). Dacă pe linie nu sunt tranziţii DPLL generează câte un impuls de eşantionare după 32 perioade de ceas. În momentul în care este detectată o tranziţie (1 0 sau 0 1) DPLL compară momentul apariţiei tranziţiei cu momentul estimat de DPLL. Pentru a realiza acest lucru fiecare perioadă bit este împărţită în 4 părţi notate în figură A,B,C,D. Fiecare parte are o durată de 8 perioade de ceas. În cazul în care tranziţia este detectată pe timpul sfertului A înseamnă că ultimul impuls de eşantionare a fost dat prea târziu şi deci perioada pentru următorul impuls va fi scurtată la 30 perioade de ceas. În acest fel, prin ajustări succesive, impulsurile de eşantionare sunt generate în apropierea mijlocului fiecărei celule bit

58 Când se foloseşte un DPLL, înaintea transmiterii primului bloc pe linie de obicei se transmit câteva caractere care să asigure minimum 12 tranziţii bit (două caractere compuse numai din 0 asigură 16 tranziţii în cod NRZI). Astfel DPLL în momentul primirii indicatorului de început de bloc va genera corect impulsurile de eşantionare. II Metode de detectare a erorilor În cazul comunicaţiei de date între două DTE se întâmplă uneori ca semnalele electrice reprezentând fluxul de biţi transmis să fie modificate de interferenţe electromagnetice datorate unor echipamente electrice vecine. Aceasta înseamnă că semnalul reprezentând un 1 binar poate fi interpretat de receptor ca un 0 binar

59 Pentru a exista o mare probabilitate ca informaţia recepţionată să fie identică cu cea transmisă, sunt necesare metode prin care receptorul să stabilească dacă informaţia primită conţine sau nu erori. În plus, în cazul detectării erorilor este necesar un mecanism prin care să se obţină informaţia corectă. Pentru realizarea acestui lucru există două metode: 1. controlul anticipat al erorii: fiecare caracter sau bloc transmis conţine informaţii adiţionale (redundante) pe baza cărora receptorul nu numai că depistează prezenţa erorilor, dar reface din fluxul de biţi recepţionat informaţia pe care o presupune a fi corectă. 2. controlul posterior al erorii: fiecare caracter sau bloc conţine numai informaţiile adiţionale ce permit receptorului să detecteze prezenţa erorilor (fără a le putea elimina). Informaţia eronată va fi retransmisă în speranţa că operaţia se va efectua corect de această dată. În cazul primei metode numărul de biţi adiţionali necesari pentru controlul anticipat al erorii creşte rapid odată cu creşterea numărului de biţi ai informaţiei. Din acest motiv în practică este mult mai răspândită a doua metodă. Aceasta poate fi împărţită în două părţi: tehnicile ce pot fi folosite pentru detectarea erorilor; algoritmii de control asociaţi schemelor de retransmisie. În continuare se vor prezenta tehnicile uzuale folosite pentru detectarea prezenţei erorilor. 1 Paritate Cea mai răspândită metodă folosită pentru detectarea erorilor atunci când numărul de biţi de informaţie este mic şi când probabilitatea prezenţei unei erori este mică, este folosirea unui singur bit adiţional de paritate pentru fiecare element transmis. Biţii de date ai fiecărui caracter sunt examinaţi de echipamentul emiţător pe baza lor fiind calculat bitul de paritate. Acesta este apoi adăugat astfel încât numărul total de 1 în întregul element este fie par, fie impar, în funcţie de tipul de paritate folosit (pară sau impară). Receptorul recalculează bitul de paritate pentru caracterul recepţionat determinând astfel apariţia erorilor de comunicaţie. În figura 3.15 (a) este ilustrat formatul unui element transmis: Eficienţa unei anumite metode de detectare a erorii depinde foarte mult de tipul erorilor ce pot să apară. Astfel, metoda paritaţii este eficientă în cazul în care un singur bit al unui caracter este interpretat greşit la recepţie. În cazul în care doi biţi sunt modificaţi, eroarea nu va putea fi detectată pe baza bitului de paritate. Deoarece paritatea este folosită atât în cazul comunicaţiei asincrone cât şi în cazul comunicaţiei sincrone orientată pe caracter atât UART urile cât şi USRT urile conţin facilităţi pentru: calculul şi inserarea bitului de paritate în fiecare caracter la emisie; recalcularea parităţii la recepţie pentru fiecare caracter primit şi semnalarea apariţiei unei erori. În figura 3.15 (b) este reprezentat un circuit de calcul al bitului de paritate

60 2 Suma de control Posibilităţile de detectare a erorilor pot fi extinse în cazul folosirii unui singur bit de paritate pe caracter prin folosirea unui set adiţional de biţi de paritate calculaţi pe baza întregului set de caractere din bloc. Prin această metodă fiecărui caracter îi este asociat un bit de paritate şi în plus este generat un bit suplimentar de paritate pentru fiecare poziţie de bit (coloană) din întregul bloc. Setul de biţi de paritate rezultaţi se numeşte sumă de control. Un exemplu se prezintă în figura

61 Biţii de paritate generaţi de USRT pentru fiecare caracter se numesc biţi de paritate transversală, iar biţii suplimentari de paritate generaţi pentru fiecare coloană se numesc biţi de paritate longitudinală. Deoarece biţii suplimentari de paritate (pe coloană) se calculează ca sumă modulo 2 a biţilor din fiecare coloană, caracterul final rezultat se numeşte sumă de control a blocului. Exemplul prezentat în figura 3.16 foloseşte paritatea impară pentru rânduri şi paritate pară pentru coloane. De exemplu, se poate observa că doi biţi eronaţi într-un caracter nu pot fi detectaţi cu bitul de paritate transversală dar eroarea poate fi semnalată cu biţii de paritate longitudinală. Acest lucru nu este valabil atunci când apar doi biţi eronaţi pe aceeaşi coloană (ca în figură). Deoarece probabilitatea de apariţie a acestui caz este mică metoda este folosită în cazul transmisiei (orientată pe bloc) pe linii cu probabilitate de erori mică. Pentru linii mai zgomotoase se folosesc metode mai riguroase de detectare a erorilor

62 Capitolul II.04. Reţele de calculatoare de tip LAN. IEEE802.3 Cuvinte-cheie Aloha, slotted Aloha,MAC, IEEE 802.3, CSMA/CD, LLC, AUI Standardul IEEE defineşte protocolul de acces al mediului MAC (media access control) prin tehnica CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) pentru topologii de tip BUS, precum şi diverse medii de transmisie şi rate de comunicaţie în cadrul nivelului fizic. II Scopul standardului IEEE Standardul IEEE acoperă atât subnivelul MAC cât şi nivelul fizic. În figura 5.1 se prezintă mai în detaliu arhitectura standardului IEEE După cum se observă în figură, acest standard se referă la patru elemente: serviciile subnivelului MAC protocolul MAC subnivelul fizic independent de mediu subnivelul fizic dependent de mediu Specificaţiile referitoare la serviciile subnivelului MAC definesc serviciile puse la dispoziţie de către IEEE pentru subnivelul LLC (logical link control) sau pentru alte nivele superioare. Aceste specificaţii includ facilităţile pentru emiterea şi recepţionarea blocurilor de date numite şi PDU (protocol data units) precum şi generarea informaţiilor de stare necesare protocoalelor de control al erorilor din nivelele superioare. S-a presupus că nivelul superior este LLC, dar acest lucru nu este neapărat necesar. Oricum, folosirea diverselor medii de transmisie trebuie să fie transparentă pentru utilizator. Protocolul MAC reprezintă nucleul standardului IEEE care deseori este numit standardul CSMA/CD. Specificaţiile definesc structura blocurilor precum şi interacţiunile dintre diversele entităţi ale subnivelului MAC. Nivelul fizic este divizat în două părţi. Subnivelul independent de mediu conţine interfaţa între MAC şi nivelul fizic. Această interfaţă include facilităţi pentru transferul a două fluxuri seriale de biţi între cele două nivele şi funcţii de timing necesare algoritmului de la nivelul MAC. În plus, standardul anticipează faptul că în multe cazuri staţiile de lucru vor fi localizate fizic la o mică distanţă de mediul fizic de comunicaţie al reţelei locale. În această configuraţie se foloseşte o unitate de cuplare la mediu MAU (medium attachment unit) ce reprezintă un element separat de staţia de lucru. Majoritatea hardware-ului şi tot software-ul sunt plasate pe staţia de lucru. Legătura între MAU şi staţie se realizează prin intermediul AUI (attachment unit interface). Această interfaţă include mediul de transmisie între staţie şi MAU şi semnalele folosite la nivelul interfeţei. Aceasta nu reprezintă o cerinţă a standardului, dar în multe cazuri este folositoare

63 M OD EL U L A RH I T ECT U RA L OSI I EEE CSM A / CD N I V EL E SU PERI OA RE A PL I C A } I E PR E Z E N TA R E SE SI U N E T R A N SPO RT R E } E A L E G A T U R ~ D A T E F I Z I C L L C M A C PL S PM A m ed i u D T E A U I M A U M D I FIGURA 5.1 A rhitectura IEEE Subnivelul dependent de mediu specifică interfaţa cu mediul fizic de comunicaţie al LAN şi semnalele schimbate cu acest mediu. Această parte a standardului oferă diverse opţiuni în funcţie de mediul de comunicaţie folosit, tipul semnalului (analog sau digital), rata de transmisie. Standardul IEEE se bazează pe specificaţiile ETHERNET şi este destinat aplicării în mediul comercial şi în mediul industrial uşor. II Protocolul MAC CSMA/CD Tehnica MAC cea mai folosită în cazul topologiilor de tip BUS este CSMA/CD. Versiunea originală a acestei tehnici a fost dezvoltată de XEROX ca o parte a reţelei sale locale Ethernet

64 1. Precursori Toate tehnicile ce vor fi prezentate în acest capitol pot fi numite cu acces aleator. Ele trebuie să răspundă la întrebarea: "Cine este următorul?" astfel încât să asigure partajarea mediului de transmisie. Tehnicile sunt cu acces aleator în sensul că nu există o planificare a alocării mediului pentru fiecare staţie. Momentele de transmisie ale staţiilor sunt generate aleator. Primele astfel de tehnici sunt cunoscute sub numele de ALOHA sau pure ALOHA. Atunci când o staţie are un bloc pregătit, acesta este emis pe linie. Apoi staţia ascultă pentru un interval de timp egal cu timpul maxim de propagare în reţea (de două ori mai mare decât timpul de propagare între cele mai îndepărtate staţii). În acest interval de timp staţia trebuie să primească un ACK, în caz contrar retransmiţând blocul. O staţie receptoare determină corectitudinea blocului primit cu ajutorul sumei de control. Dacă blocul este valid staţia întoarce imediat ACK. Blocul poate fi însă invalid datorită zgomotului liniei sau pentru că o altă staţie a încercat să emită în acelaşi timp. În acest din urmă caz cele două blocuri vor interfera, astfel încât nici unul dintre ele nu se poate transmite corect. Aceasta se numeşte coliziune, iar staţiile receptoare vor ignora blocul. ALOHA este o tehnică foarte simplă, dar mai puţin eficientă. În cazul creşterii încărcării liniei se măreşte numărul coliziunilor, iar eficienţa maximă de utilizare a canalului este de 18%. Pentru a mării eficienţa tehnica ALOHA a fost îmbunătăţită prin divizarea timpului de utilizare a liniei în intervale (slot) egale cu durata de transmisie a unui cadru (bloc). Pentru sincronizarea tuturor staţiilor se foloseşte un ceas central sau o altă metodă, iar transmisia este permisă numai la începutul unui interval (slot). Astfel suprapunerile de blocuri vor fi totale. Această metodă cunoscută sub numele de slotted ALOHA creşte eficienţa la aprox 37%. Atât pure ALOHA cât şi slotted ALOHA permit o utilizare scăzută a capacităţii de transmisie a liniei. Nici una din metode nu exploatează faptul că durata de propagare pe linie între două staţii este mult mai mică decât durata de transmisie a unui bloc. Dacă se presupune real acest lucru atunci în cazul în care o staţie începe să emită un bloc toate celelalte staţii vor afla acest lucru aproape imediat. Astfel, chiar dacă au un bloc pregătit, ele nu vor începe emisia, lucru ce duce la scăderea numărului de coliziuni. Altfel spus, timpii mici de propagare asigură obţinerea rapidă de informaţii despre starea sistemului ceea ce duce la creşterea eficienţei. Următorul pas în dezvoltarea acestei tehnici îl reprezintă CSMA (carrier sense multiple access) sau "ascultă înainte de a vorbi" (LBT - Listen Before Talk). În cazul acestei metode, o staţie ce doreşte să emită un bloc trebuie înainte să asculte linia pentru a determina dacă nu cumva în acel moment se transmite un bloc de către o altă staţie. Atunci când linia este ocupată staţia va renunţa pentru un scurt interval de timp după care va încerca din nou. În cazul în care linia este liberă staţia poate începe emisia blocului. Acum se poate întâmpla ca două sau mai multe staţii să încerce să emită aproape simultan. Dacă acest lucru se întâmplă va avea loc o coliziune. Staţia emiţătoare va aştepta sosirea unui ACK un interval de timp suficient de mare (având în vedere timpii de propagare şi faptul că staţia ce va întoarce ACK trebuie să aştepte un moment de linie liberă). Dacă nu este recepţionat blocul ACK se presupune că a avut loc o coliziune şi se încearcă retransmisia. Se poate observa că această strategie este eficientă în cazul în care timpul de transmisie a unui bloc este mult mai mare decât timpii de propagare pe linie. Coliziunile pot să apară numai dacă mai multe staţii încep emisia într-un interval de timp foarte mic (mai mic decât timpul de propagare pe

65 linie). Dacă o staţie începe să emită şi nu are loc o coliziune în intervalul de timp necesar ca începutul blocului să ajungă la cea mai îndepărtată staţie atunci cu siguranţă pe timpul transmisiei restului blocului nu va mai avea loc nici o coliziune. Tehnica CSMA asigură o eficienţă mult mai mare decât cele două variante de ALOHA prezentate. În cazul CSMA dacă linia este ocupată se respectă un algoritm ce arată ce trebuie să facă o staţie. În acest algoritm o staţie ce doreşte să emită un bloc ascultă linia şi respectă următoarele regului: 1. Dacă linia este liberă, începe emisia; altfel se trece la pasul 2 2. Dacă linia este ocupată, continuă să asculte până când se detectează linie liberă; apoi transmite imediat 3. Dacă este o coliziune (determinată prin lipsa ACK) se aşteaptă un interval de timp aleator după care se trece la pasul 1 2. Descrierea CSMA/CD CSMA chiar dacă este mai eficientă decât ALOHA sau slotted ALOHA are un punct slab: când are loc o coliziune între două blocuri linia rămâne inutilizabilă până când sunt emise complet blocurile corupte. În cazul unor blocuri lungi eficienţa scade considerabil. Această pierdere poate fi redusă dacă o staţie care emite continuă să asculte linia pe timpul emisiei. Algoritmul în acest caz ar fi următorul: 1. Dacă linia este liberă, se emite (după un scurt interval de timp interblocuri); altfel se trece la pasul 2 2. Dacă linia este ocupată, continuă să asculte până când este detectată linie liberă; apoi emite imediat 3. Dacă este detectată o coliziune în timpul emisiei, se transmite un anumit bloc (jam) pentru ca toate staţiile să ştie că a avut loc o coliziune 4. După transmiterea blocului jam se aşteaptă un interval de timp aleator după care se trece la pasul 1 Tehnica descrisă ridică câteva probleme de timing toate depinzând de un singur parametru numit slot time. Acest parametru descrie patru aspecte importante ale tratării coliziunii: Există o limită superioară a intervalului de timp necesar pentru detectarea coliziunii Există o limită superioară a timpului de achiziţie de la linie (timpul după care transmisia nu va mai suferii o coliziune) Există o limită superioară a lungimii unui fragment de bloc generat de o coliziune Există o regulă de încercare a retransmisiei Pentru a satisface aceste cerinţe slot time este definit ca fiind mai mare decât suma dintre timpul total de propagare (de două ori timpul de propagare între cele mai îndepărtate staţii) şi durata blocului jam la nivelul MAC. Acest timp depinde de nivelul fizic. Pentru a înţelege noţiunea de slot time să analizăm prima cerinţă, adică timpul necesar pentru detectarea unei coliziuni

66 În continuare se vor analiza cazurile corespunzând modurilor de comunicaţie baseband şi broadband, presupunând că staţiile se află la o distanţă cât mai mare una de cealaltă. În primul caz (baseband) intervalul de timp necesar detectării coliziunii este de două ori mai mare decât timpul de propagare. În a doua situaţie cazul cel mai defavorabil este când staţiile se află foarte apropiate, timpul necesar detectării coliziunii fiind de această dată de patru ori mai mare decât timpul de propagare. În ambele cazuri s-a presupus că lungimea blocurilor este suficient de mare astfel încât să permită detectarea coliziunii înainte de terminarea transmisiei. Acest lucru se impune în majoritatea sistemelor ce folosesc CSMA/CD inclusiv în standardul IEEE În caz contrar, performanţele sistemului scad la nivelul protocolului CSMA în care coliziunile nu sunt detectate.de aceea slot time este folosit pentru determinarea lungimii minime a blocurilor MAC. În cazul detectării unei coliziuni se pune problema modului în care se va face retransmisia. Presupunând că a apărut o coliziune, dacă cele două staţii implicate încearcă retransmisia după un interval de timp prestabilit se va produce o nouă coliziune. Pentru a preveni o astfel de situaţie, staţiile îşi vor înceta activitatea un interval de timp de lungime aleatoare. Aşa cum se poate observa, apariţia coliziunilor generează trafic adiţional. În cazul în care linia devine încărcată este foarte important să nu supraîncărcăm linia cu retransmisii ce ar conduce la noi coliziuni, ce ar conduce la noi retransmisii ş.a.m.d. Astfel, atunci când o staţie generează mai multe coliziuni, ea se dezactivează pentru o perioadă de timp mai mare compensând supraîncărcarea reţelei. Regula, cunoscută sub numele de TBEB (Truncated Binary Exponential Backoff), este următoarea: timpul de dezactivare este egal cu un număr întreg de slot time; timpul de dezactivare ce precede a n-a încercare de retransmisie este ales ca un întreg aleator r în intervalul 0 < r < 2k unde k=min(n,10). După un număr de încercări predefinite subnivelul MAC presupune că există unele probleme, renunţă şi raportează eşecul către subnivelul LLC. Această metodă se poate reprezenta formal astfel: while încercări < backofflimit k:= Min(încercări,10) r:= Random(0,2k) delay:= r*slottime Algoritmul TBEB aproximează algoritmul ideal în care probabilitatea de transmisie a unui pachet este 1/Q, unde Q reprezintă numărul de staţii ce încearcă să transmită. Dezavantajul algoritmului backoff îl reprezintă efectul de last-in first-out pe care îl generează. Cu alte cuvinte, o staţie care nu are coliziuni sau are coliziuni puţine are şanse mai mari de transmisie decât o staţie cu timpi mai mari de dezactivare. 3. Blocul MAC

67 Formatul blocului generat de IEEE este următorul: 1. Preambul: Pattern cu lungimea de 7 octeţi folosit de receptor pentru a realiza sincronismul la nivel de bit. Pattern-ul este format dintr-o secvenţă alternantă de 1 şi 0, ultimul bit fiind 0. Această structură a pattern-ului este impusă de tehnica de codificare folosită (Manchester). 2. Delimitator de început de bloc (Start frame delimiter-sfd): Este secvenţa Acesta indică începutul blocului şi permite receptorului să localizeze primul bit al blocului. 3. Adresa destinaţiei (Destination address - DA): Specifică staţia căreia îîi este destinat blocul. Poate fi o adresă fizică unică (o singură staţie), o adresă de grup de staţii, sau o adresă globală (pentru toate staţiile din reţeaua locală). Lungimea adresei (între 16 şi 48 biţi) reprezintă o decizie ce se ia la implementare şi trebuie să fie aceeaşi pentru toate staţiile dintr-o reţea locală. 4. Adresa sursei (Source address - SA): Specifică staţia ce emite blocul. Lungimea SA trebuie să fie egală cu lungimea DA. 5. Lungime (Lenght): Specifică numărul octeţilor LLC care urmează. 6. Date LLC (LLC data): Unitate de date furnizată de LLC. 7. Zona de completare (Pad): Octeţi adăugaţi pentru ca blocul să fie suficient de lung în vederea detectării coliziunii. Blocul trebuie să aibă o lungime care să necesite un slot time. 8. Secvenţa de control a blocului (Frame check sequence-fcs): Secvenţă de 32 de biţi pentru controlul erorilor bazată pe toate câmpurile cu excepţia preambulului (SFD) şi a FCS. Primul bit este întotdeauna 0 în câmpul de adresă a sursei. În câmpul de adresă a destinaţiei acest bit este forţat în 0 pentru a indica o adresă individuală sau în 1 pentru o adresa de grup. O adresă de grup cu toţi biţii 1 desemnează toate staţiile active din reţeaua locală. Toate celelalte adrese de grup desemnează un grup logic definit la configurare sau printr-o convenţie folosită la un nivel superior. În cazul câmpului de adresă de 48 de biţi, al doilea bit atât pentru sursă cât şi pentru destinaţie indică atunci când este 0 faptul că adresa este administrată global, iar când este 1 că adresa este administrată local. O adresă administrată global se foloseşte pentru a asigna o adresă unică fiecărei staţii din cadrul mai multor reţele locale. Aşa cum s-a menţionat, se impune o lungime minimă a blocului pentru a putea funcţiona corect mecanismul de detectare a coliziunii. În plus, este de asemenea specificată o lungime maximă a blocurilor din următoarele două motive: 1. limitarea buffer-ului necesar staţiilor emiţătoare şi receptoare 2. prevenirea situaţiei în care o staţie ar ocupa linia pentru o lungă perioadă de timp. Lungimea maximă a blocului (ca şi cea minimă) depinde de caracteristicile nivelului fizic. 4. Modelul funcţional şi specificaţii

68 IEEE oferă o descriere narativă a algoritmului CSMA/CD. Deoarece standardul intenţionează să prezinte în detaliu un ghid de implementare, conţine de asemenea o descriere formală. Aceasta include un model funcţional şi o implementare în Pascal a algoritmului. Modelul funcţional la nivel de schemă bloc este prezentat în figura 5.2. IEEE Funcţiile MAC

69 1. Pentru emisie bloc Acceptă date de la subnivelul LLC şi construieşte un bloc Furnizează nivelului fizic un flux de date serial în vederea emisiei prin mediul de comunicaţie

70 Observaţie. Se presupune că datele primite de la subnivelul LLC sunt formate dintr-un număr întreg de octeţi 2. Pentru recepţie bloc Recepţionează de la nivelul fizic un flux de date serial Furnizeză subnivelului LLC blocuri ce sunt adresate fie direct staţiei locale fie tuturor staţiilor din reţea Ignoră (sau transferă administratorului de reţea) blocurile ce nu sunt adresate staţiei receptoare 3. Suspendă emisia fluxului serial atunci când mediul fizic este ocupat 4. Ataşează blocurilor destinate emisiei valoarea corespunzatoare a FCS şi verifică alinierea octeţilor 5. Verifică blocurile recepţionate (FCS) în vederea detectării erorilor de transmisie şi controlează alinierea octeţilor 6. Întîrzie emisia unui bloc cu un interval de timp interbloc specificat 7. Opreşte emisia în momentul detectării unei coliziuni 8. Programează retransmisia după detectarea coliziunii până când este atinsă o limită a încercărilor specificată 9. Forţează coliziunea pentru a asigura propagarea în toată reţeaua prin emiterea mesajului de bruiaj jam 10. Ignoră blocurile recepţionate ce au o lungime mai mică decât lungimea minimă specificată 11. Ataşează preambulul, delimitatorul de început de bloc, adresa destinaţiei, adresa sursei, lungimea blocului şi FCS tuturor blocurilor ce urmează a fi emise şi inserează zona de completare (PAD) acelor blocuri a căror lungime LLC este mai mică decât o valoare minimă 12. Înlătură preambulul, delimitatorul de început de bloc, adresa destinaţiei, adresa sursei, lungimea blocului, FCS şi eventual zona de completare din toate blocurile recepţionate 5. Serviciile MAC Serviciile furnizate de MAC permit entităţilor LLC locale să schimbe unităţi de date cu entităţile LLC pereche. Primitivele şi parametrii definiţi de IEEE pentru subnivelul MAC sunt următoarele: MA_UNITDATA.request (adresă destinaţie, m-sdu, clasă servicii) MA_UNITDATA.indication ( adresă destinaţie, adresă sursă, m-sdu, stare recepţie) MA_UNITDATA_STATUS.indication (stare transmisie) În figura 5.4 sunt prezentate interacţiunile la subnivelul MAC IEEE Specificaţiile IEEE referitoare la serviciile subnivelului MAC diferă foarte puţin de ceea ce se aşteaptă la subnivelul LLC. Aceste deosebiri minore vor fi probabil rezolvate în viitoarele versiuni ale standardului

71 Primitiva MA_UNITDATA_STATUS.indication indică succesul sau eşecul primitivei anterioare MA_DATA.request. Parametrul nu poate lua decât două valori: transmitok: blocul a fost transmis fără a se detecta o coliziune excesivecollisionerror: încercările de retransmisie au fost abandonate deoarece s-a atins numărul maxim permis de încercări Atunci când este recepţionat un bloc având o adresă corespunzătoare entitatea MAC va primi o primitivă MA_UNITDATA.indication. Parametrul stare recepţie poate lua una din următoarele valori: receiveok: data recepţionată este transferată în parametrul m-sdu lenghterror: valoarea din câmpul lungime bloc nu coincide cu lungimea blocului recepţionat framecheckerror: biţii blocului recepţionat nu generează o sumă de control CRC identică cu cea din câmpul FCS alignmenterror: blocul recepţionat este eronat (FCS invalid) şi în plus lungimea blocului nu este un număr întreg de octeţi

72 II Specificaţiile standardului referitoare la nivelul fizic Specificaţiile referitoare la nivelul fizic pot fi divizate în următoarele grupe: specificaţii referitoare la serviciile subnivelului PLS specificaţii cu privire la subnivelul PLS şi AUI specificaţii referitoare la MAU şi la mediul fizic de comunicaţie specificaţii despre PLS, MAU şi mediu de tip baseband în cazul sistemelor lucrând cu o rată de comunicaţie de 1 Mbps unitate repetoare (repeater unit) Pentru a deosebi modurile de implementare în funcţie de mediile de transmisie folosite se foloseşte următoarea notaţie: <rata de comunicaţie în Mbps><tip mediu><lungime max. a unui segment (x100m)> Implementările folosite sunt următoarele: 10BASE5 10BASE2 10BASET 10BROAD36 În cazul utilizării unei topologii de tip stea cu fire împletite (twisted pair) notaţia folosită este 10BASET. 1. Seviciile subnivelului PLS Serviciile generate de nivelul fizic sunt definite prin următoarele primitive şi parametri: PLS_DATA.request (OUTPUT_UNIT) PLS_DATA.confirm (OUTPUT_STATUS) PLS_DATA.indication (INPUT_UNIT) PLS_CARRIER.indication (CARRIER_STATUS) PLS_SIGNAL.indication (SIGNAL_STATUS) Primitivele PLS_DATA permit transferul datelor de la o entitate MAC către o altă entitate MAC din cadrul aceleiaşi reţele locale. Datele emise de o entitate MAC folosind primitiva PLS_DATA.request sunt recepţionate de către toate entităţile MAC ce primesc PLS_DATA.indication. Parametrul OUTPUT_UNIT poate lua una din următoarele trei valori: ONE, ZERO sau DATA_COMPLETE. Astfel se permite entităţii MAC să ceară transmisia unui bit de date şi să semnalizeze că MAC nu mai are date de transmis. Nivelul fizic codifică şi transmite fiecare bit de date. La transferul fiecărui bit de date de la MAC către nivelul fizic se generează primitiva PLS_DATA.confirm. Parametrul OUTPUT_STATUS poate lua două valori: OUTPUT_NEXT care indică faptul că nivelul fizic este pregătit pentru un nou bit OUTPUT_ABORT care indică faptul că mediul de comunicaţie nu este disponibil

73 Fiecare staţie activă cuplată la mediul de comunicaţie recepţionează biţii transmişi. La fiecare bit recepţionat nivelul fizic generează primitiva PLS_DATA.indication cu parametrul INPUT_UNIT având valoarea ONE sau ZERO. Ultimele două primitive generează informaţiile necesare entităţii MAC locale pentru a realiza funcţiile de acces la mediu. PLS_CARRIER.indication transferă starea activităţii în mediul fizic. Parametrul CARRIER_STATUS poate lua valorile: CARRIER_OFF indică faptul că mediul este liber CARRIER_ON indică faptul că mediul nu este liber ci se recepţionează un semnal Această primitivă este emisă ori de câte ori se modifică starea mediului. Parametrul SIGNAL_STATUS al primitivei PLS_SIGNAL.indication poate lua valorile: SIGNAL_ERROR atunci când este detectată o coliziune sau un semnal necorespunzător NO-SIGNAL_ERROR atunci când nu există erori Serviciile prezentate constituie o descriere abstractă şi nu implică o anumită implementare, ci arată faptul că subnivelul MAC este independent de mediul fizic. PLS (Physical Signaling) şi AUI (Attachment Unit Interface) Standardul IEEE anticipează faptul că uneori poate fi necesar ca staţiile să fie plasate în spaţiu la o anumită distanţă de punctul de cuplare la mediu (linie). Configuraţia tipică presupune existenţa unui echipament specializat, ce conţine puţine componente electronice, chiar în locul de cuplare la mediu. Acest echipament în standardul IEEE constituie unitatea de cuplare la interfaţă (AUI), iar în specificaţiile Ethernet este numit TRANSCEIVER (echipament de emisierecepţie). Cea mai mare parte a circuitelor electronice care realizează funcţiile nivelului fizic este localizată pe staţia de lucru. Existenţa AUI ca interfaţă între staţia de lucru şi unitatea de cuplare la mediu (MAU) duce la obţinerea anumitor avantaje: reţeaua locală poate fi instalată astfel încât segmentul Ethernet să aibă o lungime minima fără a ţine seama de eventuale amplasări specifice, ale altor echipamente, ce se vor face ulterior. unitatea de cuplare la mediu realizează numai acele funcţii ce trebuie executate la nivelul mediului fizic. Este de dorit minimizarea complexităţii MAU deoarece în multe cazuri aceasta este situată în locuri inaccesibile, întreţinerea şi repararea sa fiind dificile şi scumpe. AUI poate fi standardizată astfel încât implementarea pe o anumită staţie de lucru este independentă de mediul fizic. Specificaţiile standardului presupun că unitatea de cuplare la mediu MAU realizează următoarele funcţii: 1. emite semnale prin mediul fizic 2. recepţionează semnale prin mediul fizic

74 3. detectează prezenţa unui semnal prin mediul fizic 4. detectează coliziunea Fizic AUI este formată din patru sau cinci perechi de fire împletite: Data Out: folosit pentru transmiterea datelor de la staţie către MAU Data In: folosit pentru transmiterea datelor de la MAU către staţie Control In: folosit pentru transmiterea semnalelor de control de la MAU către staţie Control Out (optional): folosit pentru transmiterea semnalelor de control de la staţie către MAU Voltage: folosit pentru alimentarea MAU de la staţie Toate perechile de fire sunt conţinute într-un cablu ecranat şi fiecare pereche este la rândul ei ecranată. Pentru un astfel de cablu se acceptă o lungime de până la 50 m. Rata de comunicaţie folosită la nivelul AUI este aceeaşi cu cea folosită prin mediul fizic. De aceea nu este nevoie ca MAU să realizeze funcţia de memorare temporară (buffer-are). Linia Control In este folosită pentru transmiterea unuia din următoarele trei mesaje: 1. MAU este disponibil: MAU este pregătit să emită date. Acest lucru este reprezentat prin linie liberă (IDL) 2. MAU nu este disponibil (opţional): MAU nu este pregătit să emită date. Această stare este reprezentată printr-o undă pătratică periodică cu o frecvenţă egală cu jumatate din rata biţilor (CS1) 3. eroare calitate semnal: Acest mesaj reprezintă un răspuns la una din cele trei condiţii ce vor fi descrise în continuare. Este reprezentat printr-o undă pătratică periodică cu o frecvenţă egală cu rata biţilor (CS0). Mesajul de eroare a calităţii semnalului este transmis atunci când MAU detectează: un semnal necorespunzător (datorită proastei funcţionări a unei MAU undeva în reţea sau datorită mediului fizic) o coliziune la terminarea emisiei pentru a verifica dacă circuitul de detectare a coliziunii funcţionează corect Linia Control Out este folosită pentru transmiterea unuia din următoarele trei semnale: 1. normal: indică unităţii de cuplare al mediu MAU să intre sau să rămână în modul normal (adică pregătit pentru emisie şi recepţie). Se codifică ca IDL. 2. cerere acces la MAU: solicită ca MAU să devină disponibilă deoarece staţia doreşte să emită date. Se codifică ca CS1. 3. izolare: indică MAU să intre sau să rămână în modul urmărire, mod ce permite staţiei să execute funcţii de administrare locală. Se codifică ca CS0. Observaţie: Cele două linii de date plus cele două linii de control sunt suficiente pentru realizarea serviciilor definite la nivelul fizic

75 2. Specificaţiile mediului 10BASE5 Mediul fizic foloseşte un cablu coaxial de 50 ohm. Acesta este tipul de cablu folosit de obicei în cazul modului de transmisie baseband. 50 ohm reprezintă impedanţa caracteristică a cablului, iar uneori acest parametru este referit ca rezistenţa complexă a cablului. Atunci când cablul coaxial are la capete rezistenţe egale cu impedanţa caracteristică a cablului semnalele ajunse la capetele cablului nu vor mai fi reflectate. Cablul de 50 ohm faţă de cel de 75 ohm asigură mai puţine reflexii şi o imunitate mai bună împotriva zgomotelor electromagnetice de joasă frecvenţă. Atunci când un semnal se propagă printr-un mediu de comunicaţie, calitatea sa este alterată datorită atenuării, zgomotelor şi altor factori. De aceea, fiecare tip de mediu de comunicaţie se caracterizează printr-o serie de parametri limită acceptaţi. În tabelul următor se prezintă variantele specificate de implementări ale IEEE Parametru 10BASE5 10BASE2 10BASET 10BROAD36 mediu transmisie Cablu coaxial 50 Cablu coaxial 50 Fire torsadate Cablu coaxial 75 mod transmisie Baseband Baseband Baseband Broadband (Manchester) (Manchester) (Manchester) (DPSK) rata datelor (Mbps) lung. max. segment (m) lungime max. retea (m)

76 noduri per segment dist. între noduri (m) diametrul cabului (mm) slottime (perioade bit) interval interbloc ( s) nr. max. încercări retransmisie limită dezactivare lungime jam (biţi) lung. max. bloc (octeţi) lung. min. bloc (octeţi)

77 Lungimea unei reţele poate fi extinsă prin folosirea repetoarelor (repeaters). Un repetor este format din două MAU conectate la două segmente de cablu coaxial diferite. Repetorul transferă (amplificând şi regenerând) semnale numerice în ambele direcţii între cele două segmente. Este transparent pentru restul sistemului şi nu realizează funcţii de memorare sau izolare. Din acest motiv dacă, de exemplu, două staţii din segmente diferite încearcă să emită simultan se va produce o coliziune. Pentru a preîntâmpina interferenţe datorate buclelor sau căilor multiple între două staţii, nu se permite decât o singură cale de segmente şi repetoare între oricare două staţii de lucru. Standardul permite maxim patru repetoare între două staţii de lucru crescând astfel lungimea cablului la maxim 2.5 km. În figura 5.5 se prezintă un exemplu de reţea cu trei segmente şi două repetoare. Într-un sistem baseband, o coliziune va produce o oscilaţie cu amplitudine mai mare decât aceea produsă de un singur emiţător. Standardul specifică că o unitate de cuplare la mediu (MAU) va detecta coliziunea atunci când semnalul pe cablu va fi mai mare decât valoarea maximă a semnalului pe care îl poate el genera. Pentru o MAU care nu emite, coliziunea va fi detectată atunci când puterea semnalului pe cablu este mai mare sau egală cu puterea semnalului ce poate fi generat de două MAU. Deoarece blocurile străbat prin intermediul repetoarelor segmente diferite trebuie conservate şi condiţiile de detectare a coliziunilor. De aceea atunci când un repetor detectează o coliziune pe unul din segmente, el trebuie să emită un bloc jam prin celălalt segment

78 3. Specificaţiile mediului 10BASE2 Prima completare la standardul IEEE a reprezentat-o varianta 10BASE2 (Cheapernet) şi a fost făcută cu scopul scăderii preţului de cost. Aceasta foloseşte (ca şi 10BASE5) un cablu coaxial de 50 ohm şi o rată de transmisie de 10 Mbps. În figura 5.6 se prezintă o comparaţie între 10BASE2 şi 10BASE5. D T E cab l u 10 B A SE 5 cab l u 10 B A SE 2 D T E D T E cab l u t r anscei v er D T E D T E D T E t r anscei v er conect o r " T " FIGURA 5.6 Compara]ie \ntre 10BA SE5 [ i 10BA SE2 O primă diferenţă între cele două variante o reprezintă folosirea unui cablu mai subţire în cazul 10BASE2. Acest cablu prezintă avantajul unei mai mari flexibilităţi şi deci al unei instalări mai uşoare, dar are dezavantajul unei atenuări mai mari şi al unei rezistenţe la zgomot mai scăzută. Reducerea preţului de cost este determinată de: cablul subţire este mai ieftin şi uşor de instalat MAU extern este mai scump decât în varianta internă (încorporat pe placa de reţea). Specificaţiile 10BASE2 folosesc aceeaşi metodă de detectare a coliziunii ca şi 10BASE5. De asemenea este permisă folosirea repetoarelor (maxim patru între oricare două staţii de lucru) în vederea extinderii lungimii reţelei

79 Deoarece ambele variante folosesc aceeaşi rată de comunicaţie poate fi cuplat un segment 10BASE2 cu un segment 10BASE5 prin intermediul unui repetor adecvat. Singura restricţie impusă este ca un segment 10BASE2 să nu fie folosit pentru a uni două segmente 10BASE5. 4. Specificaţiile mediului 10BROAD36 Varianta 10BROAD36 foloseşte aceeaşi AUI ca şi 10BASE5, lucru ce conferă două avantaje: este relativ simplă trecerea unui utilizator de la sistemul 10BASE5 la o reţea de tip broadband (se înlocuieşte numai MAU şi cablul); sistemele broadband pot folosi toate produsele deja dezvoltate pe baza standardului 10BASE5. Mediul fizic folosit în 10BROAD36 este cablul coaxial CATV de 75. Lungimea maximă a unui segment individual este 1800 m (ceea ce înseamnă de fapt o lungime a cablului de 3600m). Pentru a păstra compatibilitatea AUI cu 10BASE5 se foloseşte o rată de comunicaţie de 10 Mbps. Unitatea de cuplare la mediu MAU realizează ca şi în varianta 10BASE5 următoarele funcţii: emite semnale prin cablu recepţionează semnale prin cablu detectează prezenţa unui semnal pe cablu detectează coliziunea Emisia şi recepţia semnalelor se face în mai mulţi paşi, aşa cum se prezintă în figura 5.7. Staţia emite date către MAU prin intermediul AUI folosind semnale numerice codificate Manchester. Semnalul recepţionat este convertit de MAU într-un semnal simplu NRZ după care datele sunt trecute printr-un circuit de amestec. Acesta conferă datelor o natură pseudoaleatoare ce ajută receptorul să extragă informaţia de ceas. Procesul de amestec nu afectează întregul bloc. Blocul începe cu un preambul având o lungime de 56 biţi, format dintr-un şir alternant de 0 şi 1 fiind folosit pentru realizarea sincronizării la începutul blocului. Acest preambul nu va fi în întregime afectat de circuitul de amestec. Regulile respectate la codificarea blocului sunt următoarele: 1. maxim 5 biţi ai fluxului de date sosit de la AUI pot fi ignoraţi (folosiţi la detecţie şi decodificare Manchester) 2. începând cu un zero, următorii 20 de biţi din şirul alternant vor fi emişi fără a trece prin circuitul de amestec, permiţând sincronizarea receptorului 3. următorii doi biţi (zero-unu) din fluxul primit sunt forţaţi în zero. Acesta este delimitatorul (UMD - unscrambled mode delimiter) ce indică începutul zonei de amestec din blocul de date. 4. următorii biţi din preambul, delimitatorul de început de bloc şi celelalte câmpuri ale blocului sunt trecute prin circuitul de amestec 5. la sfârşitul blocului se adaugă un câmp format dintr-un zero urmat de 22 de biţi unu

80 FIGURA 5.7 Func]iile realizate la emisie \ntr-un sistem 10BROA D36 În final datele astfel obţinute, care sunt încă în formă numerică, vor modula o purtătoare analogică prin metoda DPSK (differential phase-shift keying). Metoda DPSK constă în modificarea fazei atunci când bitul ce se transmite este "0" şi păstrarea aceleiaşi valori a fazei atunci când bitul transmis este "1". Avantajul acestei metode diferenţiale faţă de metoda PSK este că receptorul poate detecta mai uşor modificarea valorii fazei semnalului decât valoarea efectivă a fazei. Funcţia de detectare a coliziunii în cazul variantei 10BROAD36 diferă foarte mult faţă de sistemele baseband. Avantajul configuraţiilor broadband este acela că există o mică întârziere între momentul în care o staţie începe să emită şi momentul în care îşi recepţionează propriul semnal. În procesul de detectare a coliziunii pot fi folosite trei evenimente diferite ce pot fi identificate de MAU: 1. O unitate de cuplare la mediu (MAU) care emite încearcă să detecteze delimitatorul UMD în semnalul recepţionat. Dacă UMD nu este detectat într-un interval de timp prestabilit se presupune că a avut loc o coliziune. 2. După detectarea UMD, MAU compară fiecare bit emis cu fiecare bit recepţionat până la ultimul bit al adresei sursă. În cazul în care doi biţi nu coincid înseamnă că s-a produs o coliziune. 3. Atunci când MAU începe să recepţioneze date de la AUI simultan cu recepţia unui semnal pe cablu se produce o coliziune

81 Cel puţin una din unităţile MAU participante la generarea coliziunii va detecta unul din cele trei evenimente descrise mai sus. Staţia ce identifică prima coliziunea va genera un semnal de amplitudine constantă şi radio-frecvenţă cunoscut sub numele de semnal de forţare a coliziunii. Forţarea coliziunii este necesară deoarece semnalele într-un sistem broadband pot fi recepţionate la diferite nivele de putere. 5. Specificaţiile mediului 10BASET Varianta 10BASET a fost elaborată în vederea realizării unor reţele locale de calculatoare personale la un preţ de cost scăzut. Scăderea costurilor se face însă cu preţul scăderii performanţelor. Acestea sunt sisteme baseband, folosesc codificarea Manchester, o rata de transfer de 1 Mbps şi ca mediu fizic firele împletite neecranate. FIGURA 5.8 Configura]ie re]ea 10BA SET Varianta 10BASET se bazează pe o topologie de tip stea ca în figura 5.8. În centrul configuraţiei se află un echipament specific numit HUB, la care sunt conectate toate staţiile prin perechi de fire torsadate (UTP Unshielded Twisted Pair). HUB-ul realizează două funcţii importante: 1. regenerarea semnalelor 2. detectarea coliziunilor. Atunci când o singură staţie emite, HUB-ul retransmite semnalul (compensând toate distorsiunile de amplitudine şi fază) către toate celelalte staţii. Dacă mai multe staţii încearcă să emită simultan, HUB-ul va detecta coliziunea şi va emite către toate staţiile un semnal prezenţă coliziune

82 FIGURA 5.9 Semnal prezen]# coliziune Chiar dacă structura prezentată are topologie stea, ea se comportă din punct de vedere logic ca o topologie bus: datele emise de o staţie sunt receptate de toate celelalte staţii, iar atunci când două staţii încearcă să emită simultan se va produce o coliziune. Deci algoritmul MAC IEEE (CSMA/CD) va funcţiona corect. Distanţa maximă între o staţie şi HUB este 100 m. Astfel distanţa între două staţii cuplate la acelaşi HUB nu poate fi mai mare de 200 m. Numărul minim sau maxim de staţii ce se conectează la un HUB nu este specificat de standard, constituind un detaliu de implementare. Detectarea coliziunii în HUB poate fi realizată printr-o logică numerică simplă (toate semnalele convergând către acelaşi punct). Semnalul prezenţă coliziune este o secvenţă repetitivă de: 1 bit zero, 1/2 bit unu, 1 bit zero, 1 bit unu, 1/2 bit zero şi 1 bit unu. Pentru extinderea configuraţiei pot fi folosite maxim cinci nivele de HUB-uri. Distanţa maximă între două HUB-uri adiacente este de 250 m. Astfel, deschiderea maximă a unei reţele poate ajunge la 2500 m. În figura 5.10 se prezintă o structură cu trei HUB-uri în care două staţii (A şi B) încearcă să emită simultan

83 CP CP CP CP Pa CP Pb CP CP CP FIGURA 5.10 Generare coliziune \ntr-o re]ea 10BA SET C P= sem n al p r ezen ] # col i zi u n e Px = PD U d e l a st a] i a x ETHERNET Principalele diferenţe între IEEE şi Ethernet sunt următoarele: 1. formatul blocurilor. 2. serviciile de control al legăturii. Ethernet combină funcţiile de control al legăturii şi MAC întrun singur protocol. IEEE ETHERNET adresă destinaţie (2,6) adresă destinaţie (6) adresă sursă (2,6) adresă sursă (2,6) lungime (2) tip (2)

84 DSAP (1) SSAP (1) data control (1) data pad FCS (4) FCS (4)

85 Capitolul II.05. Protocoale de comunicaţie în reţele de calculatoare Cuvinte-cheie IPX, SPX, IP, TCP O retea de calculatoare este alcatuita dintr-un ansamblu de mijloace de transmisie si de sisteme de calcul, pentru a realiza atat functii de transport a informatiei cat si functii de prelucrare a acesteia. O retea de calculatoare care interconecteaza diferite sisteme de calcul poate functiona in bune conditii numai daca exista o conventie care stabileste modul in care se transmite si se interpreteaza informatia, conventie numita protocol. Un exemplu ar fi modul de comunicare intre doi filozofi. Doi filozofi, din tari diferite doresc sa faca schimb de idei. Din pacate, sunt departe unul de celalalt si nici nu au o limba comuna prin care sa comunice.pentru a putea sa comunice trebuie sa foloseasca suport de comunicatie.pentru a putea comunica, fiecare filozof angajeaza cate un traducator care sa cunoasca ambele limbi, iar ei la randul lor angajeaza cate o secretara care se va ocupa cu transmiterea efectiva a mesajului. Urmarind figura, se observa ca filozoful 1 trimite translatorului sau mesajul pe care doreste sa-l primeasca filozoful 2. Acesta il traduce si il inmaneaza secretarei care il transmite mai departe prin fax, posta electronica sau cu telefonul secretarei 2. In concluzie un protocol este un set de reguli si conventii ce se stabilesc intre participantii (de exemplu, filozof 1- filozof 2) la o comunicatie in vederea asigurarii bunei desfasurari a comunicatiei respective; sau protocolul este o intelegere intre partile care comunica asupra modului de realizare a comunicarii. Din exemplu anterior, s-a observat ca pentru a realiza comunicatia sunt necesare mai multe reguli (protocoale) care se stabilesc intre membrii de pe acelasi nivel si intre membrii din cadrul aceluiasi grup. Acest concept se numeste familie de protocoale (stiva) si reprezinta o lista de protocoale utilizate de catre un anumit sistem, cate un protocol pentru fiecare nivel. Protocoalele sunt de doua feluri: - rutabile: sunt acel protocoale care accepta comunicatii LAN - LAN pe mai multe cai;

86 - nerutabile. In cadrul unui aceluiasi grup (filozof - translator - secretar) intre participantii la comunicatie schimbul de informatii se face pe baza unor alte conventii, numite servicii. In general participantii la comunicatie se numesc entitati. Entitatile de pe un nivel n (de exemplu, filozoful) furnizeaza un serviciu utilizat de catre nivelul n+1 (in cazul nostru, traducator). Nivelul n se numeste furnizor de servicii, iar nivelul n+1 se numeste utilizator de servicii II IPX Protocoalele IPX şi SPX reprezintă două tipuri de bază de protocoale de comunicaţie în reţele: IPX nu se bazează pe conexiuni, pe când SPX este orientat către conexiune. Vor fi arătate avantajele şi dezavantajele fiecărui tip de protocol şi vor fi prezentate structurile pachetelor IPX şi SPX. Netware IPX este un protocol bazat pe datagrame (fără conexiune). Termenul fără conexiune înseamnă că atunci când o aplicaţie foloseşte IPX pentru a comunica cu alte aplicaţii din cadrul reţelei, nu este stabilită nici o conexiune sau cale de date între cele două aplicaţii. Deci, pachetele IPX sunt trimise către destinaţiile lor, dar nu se garantează şi nici nu se verifică faptul că acestea ajung sau nu la destinaţie. Termenul datagramă (datagram) desemnează faptul că un pachet este tratat ca o entitate individuală, care nu are nici o legătură sau relaţie secvenţială cu alte pachete. IPX execută funcţii echivelente nivelului reţea din modelul OSI. Aceste funcţii includ adresare, rutare şi transfer de pachete pentru schimburi de informaţie, funcţiile IPX fiind dedicate transmisiei de pachete în cadrul reţelei. Avantaje şi dezavantaje Deoarece IPX execută doar sarcinile nivelului reţea din modelul OSI, oferă beneficiile vitezei şi performanţei care rezultă din încărcarea mică pe care o produce. Totuşi, serviciile IPX sunt insuficiente dacă sunt necesare garanţiile nivelului transport. IPX este deci folosit în cazul în care este potrivit tipului particular de aplicaţie, alegând în funcţie de caz IPX sau SPX. Principalele avantaje şi dezavantaje ale IPX sunt: Disponibilitatea simultană a sursei şi destinaţiei nu este necesară, deoarece nu există o conexiune predeterminată. Totuşi, sursa nu primeşte nici o confirmare a faptului că destinaţia a primit datele; Flexibilitatea în rutarea pachetelor este mare, deoarece nu este necesară o rută predeterminată a pachetelor; Pachetele pot fi trimise către destinaţii multiple pur şi simplu prin duplicarea pachetului şi schimbarea adresei destinaţie. Un mesaj se poate trimite folosind IPX prin plasarea mesajului în porţiunea de date a unui pachet IPX, la fel ca şi punerea unui mesaj într-un plic. Headerul pachetului IPX trebuie să conţină reţeaua destinaţie, numerele de nod şi soclu (adică adresa la care trebuie trimis pachetul). IPX trimite fiecare pachet individual prin diferite subreţele (posibil pe diferite rute pentru a profita de traficul mai scăzut) până când pachetul atinge destinaţia. Deoarece fiecare pachet este o entitate individuală, rutarea şi secvenţierea pachetelor poate să varieze

87 Când pachetul ajunge, sursa nu primeşte nici o informaţie privind livrarea cu succes a pachetului. Doar dacă destinaţia ia hotărârea să trimită un pachet către sursă, sursa poate fi sigură de ajungerea pachetului la destinaţie. Oricum, IPX trimite cu succes aproximativ 95% din numărul pachetelor. 1 Structura pachetului IPX Pachetul IPX este identic din punct de vedere al structurii cu un pachet Xerox IDP. El are două părţi: un header de 30 de octeţi şi o porţiune de date cu o lungime între 0 şi 546 octeţi. Lungimea minimă a pachetului este 30 octeţi (doar headerul), iar lungimea sa maximă este 576 octeţi (30+546). Structura pachetului IPX este prezentată în tabelul 1. Toate câmpurile sunt structurate high-low, adică cel mai semnificativ octet al câmpului este primul. Offset Conţinut Tip 0 Checksum BYTE[2] 2 Length BYTE[2] 4 Transport Control BYTE 5 Packet Type BYTE 6 Destination Network BYTE[4] 10 Destination Node BYTE[6] 16 Destination Socket BYTE[2] 18 Source Network BYTE[4] 22 Source Node BYTE[6] 28 Source Socket BYTE[2] 30 Data Portion byte[0 546] Tabelul 1. Structura pachetului IPX. Semnificaţia câmpurilor headerului este următoarea: Checksum (Suma de control) Acest câmp a fost inclus pentru conformitate cu headerul original Xerox. IPX îl încarcă totdeauna cu valoarea 0FFFFh. Cartelele de reţea aplică sume de control întregului pachet IPX, deci acest câmp nu este necesar. Length (Lungime) Acest câmp conţine lungimea întregului pachet (header+date). Valoarea lui minimă este 30, iar cea maximă 576. IPX setează acest câmp. Transport Control (Controlul transportului) Acest câmp este folosit de bridge-urile inter-reţea NetWare. IPX îl încarcă cu valoarea 0. Packet Type (Tipul pachetului) Acest câmp indică tipul de serviciu oferit sau cerut de către pachet. Xerox a definit următoarele valori (totuşi, utilizatorii IPX trebuie să seteze valoarea acestui câmp la 0 sau 4):

88 0 - Pachet necunoscut; 1 - Pachet care conţine informaţii de rutare; 2 - Pachet în ecou; 3 - Pachet de eroare; 4 - Packet Exchange Packet (pachet IPX); 5 - Sequenced Packet Protocol Packet (pachet SPX); Protocoale experimentale; 17 - Protocol NetWare Core (Core = miez). Utilizatorii IPX trebuie să seteze tipul pachetului la 0 sau 4, iar utilizatorii SPX trebuie să-i dea valoarea 5. Destination Network (Reţeaua destinaţie) Acest câmp conţine numărul reţelei căreia îi aparţine nodul destinaţie. în cazul NetWare, reţelele din cadrul unei reţele globale primesc de la administratorul reţelei globale un număr unic de 4 octeţi. Când acest câmp este 0, nodul destinaţie este în aceeaşi reţea ca şi nodul sursă, pachetul nefiind procesat de un bridge inter-reţea. Destination Node (Nodul destinaţie) Acest câmp conţine adresa fizică a nodului destinaţie. Lungimea acestui câmp este variabilă în funcţie de topologia reţelei. Un nod din cadrul unei reţele Ethernet va avea o adresă fizică de 6 octeţi, pe când un nod din cadrul unei reţele Omninet va avea o adresă de un octet. Dacă o adresă fizică are lungimea mai mică de 6 octeţi, adresa trebuie să ocupe cea mai putin semnificativă poziţie în cadrul câmpului, prima parte a acestuia trebuind completată cu zero. O adresă de nod egală cu 0FFFFFFFFFFFFh (6 octeţi formaţi numai din biţi unu) identifică un pachet broadcast. Destination Socket (Soclul destinaţie) Acest câmp conţine adresa soclului procesului destinaţie a pachetului. Soclurile rutează pachetele către diferite destinaţii în cadrul aceluiaşi nod. Xerox a rezervat următoarele numere de socluri: 1 - Routing Information Packet; 2 - Echo Protocol Packet; 3 - Error Handler Packet; 20h 03Fh - Experimental; 1 0BB8h - Registered with Xerox; Xerox a asignat pentru Novell un set de socluri pentru folosirea de către NetWare: File Service Packet; Service Advertising Packet; Routing Informaton Packet; NetBIOS Packet;

89 456 - Diagnostic Packet. De exemplu, serverele NetWare acceptă cereri adresate soclului 451. Source Network (Reţeaua sursă) Source Node (Nodul sursă) Source Socket (Soclul sursă) Aceste trei câmpuri au semnificaţii similare cu cele corespunzătoare destinaţiei. II SPX SPX este identic cu IPX cu excepţia faptului că oferă servicii suplimentare conferite de faptul că se află la nivelul transport din modelul OSI, spre deosebire de IPX, aflat la nivelul reţea. Aceste funcţii suplimentare fac din SPX un protocol orientat către conexiune. Aceasta înseamnă că înainte ca un pachet SPX să fie trimis, se stabileşte o conexiune între sursă şi destinaţie. SPX garantează livrarea datelor, secvenţierea pachetelor, detectarea şi corectarea erorilor şi suprimarea pachetelor duplicate. Avantaje şi dezavantaje În schimbul acestor garanţii, SPX nu are viteza şi performanţele IPX. Proiectantul de aplicaţii trebuie să determine ce este mai important pentru aplicaţiile sale: viteza sau siguranţa livrărilor. Astfel, el va alege IPX sau SPX. Iată în continuare câteva dintre avantajele şi dezavantajele folosirii SPX: Livrarea garantată a datelor; conexiunea este stabilită înainte ca informaţia să fie trimisă şi la sursă se întorc informaţii privind livrarea cu succes. Trimiterea de pachete broadcast este greoaie, deoarece trebuie stabilită o conexiune cu fiecare potenţial receptor înainte. De asemenea, unele aplicaţii nu au nevoie de garantarea livrării fiecărui pachet; Secvenţiere garantată a pachetelor; deci, oricâte pachete ar cere transmiterea unui flux de date, acestea vor ajunge în ordine; Suprimarea pachetelor duplicat; în timpul procesului de garantare a livrării (care include retransmiterea pachetelor considerate pierdute), este posibilă apariţia unor pachete duplicat care ajung ambele la nodul destinaţie; SPX elimină astfel de pachete, deci aplicaţia primeste doar o copie a datelor trimise de către partenerul de comunicaţie. 1 Structura pachetelor SPX Un pachet SPX este identic ca structură cu un pachet IPX, cu excepţia faptului că are 12 octeţi suplimentari în header. Pachetul SPX constă din două părţi: un header de 42 de octeţi şi un câmp de date care poate conţine între 0 si 534 octeţi. Lungimea minimă a pachetului este de 42 octeţi (doar headerul), iar cea maximă de 576 octeţi (42+534). Câmpurile pachetului SPX care au aceeaşi denumire ca şi cele din cadrul pachetelor IPX au şi aceeaşi semnificaţie ca şi acestea, cu specificarea că niciodată în cadrul unui pachet SPX nu se permite o valoare 0FFFFFFFFFFFFh a adresei nodului destinaţie (nu sunt permise broadcast-uri), iar SPX

90 încarcă totdeauna valoarea 5 în câmpul Packet Type. În tabelul 2 este prezentată structura pachetului SPX: Offset Conţinut Tip 0 Checksum BYTE 2 2 Length BYTE 2 4 Transport Control BYTE 5 Packet Type BYTE 6 Destination Network BYTE 4 10 Destination Node BYTE 6 16 Destination Socket BYTE 2 18 Source Network BYTE 4 22 Source Node BYTE 6 28 Source Socket BYTE 2 30 Connect. Control BYTE 31 Data Stream Type BYTE 32 Source Connect. ID BYTE 2 34 Dest. Connect ID BYTE 2 36 Sequence Number BYTE 2 38 Acknowledge Number BYTE 2 40 Allocation Number BYTE 2 42 Data Portion BYTE Tabelul 2. Structura pachetului SPX. Ordinea octeţilor în cadrul câmpurilor este high-low, ca şi în cazul IPX. Semnificaţiile câmpurilor suplimentare faţă de cele din cadrul headerului IPX sunt: Connection Control (Controlul conexiunii) Acest câmp conţine 4 indicatori de 1 bit folosiţi de SPX şi clienţii săi pentru a controla fluxul bidirecţional de date de-a lungul unei conexiuni: Valori nedefinite de către Xerox Sequenced Packet Protocol. SPX îi ignoră;

91 10h - Sfârşitul unui mesaj; clientul setează acest bit pentru a semnala sfârşitul mesajului partenerului său; SPX ignoră acest bit şi îl livrează neschimat partenerului; 20h - Atenţie; clientul setează acest indicator dacă pachetul este un pachet de atenţionare; această facilitate nu a fost implementată; SPX ignoră acest bit şi îl livrează neschimat partenerului; 40h - Se cere confirmare; SPX setează acest bit dacă este necesar un pachet de confirmare; deoarece SPX controlează cererile şi răspunsurile de confirmare, clientul trebuie să ignore acest indicator; 80h - Pachet sistem; SPX setează acest bit dacă pachetul este un pachet sistem; aceste pachete sunt folosite intern şi nu sunt livrate clienţilor. Clienţii nu trebuie să folosească sau să modifice niciodată biţii nedefiniţi, de confirmare sau sistem. Aceştia sunt rezervaţi pentru folosirea de către SPX. Data Stream Type (Tipul fluxului de date) Acest câmp este un indicator de un octet care arată tipul datelor care au fost găsite în cadrul pachetului. Valorile posibile sunt arătate în continuare: 0 0FDh - Definit de client; SPX ignoră aceste valori; 0FEh - Sfârşitul conexiunii; când un client execută un apel pentru a termina o conexiune activă, SPX va genera un pachet de terminare a conexiunii. Acesta va fi ultimul pachet trimis partenerului în cadrul conexiunii; 0FFh - Confirmarea sfârşitului conexiunii; SPX generează un pachet de confirmare a sfârşitului conexiunii automat; acest pachet este marcat sistem şi nu este livrat clienţilor. Source Connection ID (Identificatorul sursei) Acest câmp conţine un număr de identificare asignat de către SPX sursei pachetului. Destination Connection ID (Identificatorul destinaţiei) Acest câmp contine un număr de identificare asignat de către SPX destinaţiei pachetului şi folosit pentru demultiplexarea pachetelor sosite în cadrul multiplelor conexiuni care ajung la acelaşi soclu; demultiplexarea este necesară deoarece conexiunile active concurente de pe orice maşină pot folosi acelaşi număr de soclu. Sequence Number (Numărul de secvenţă) Acest câmp reţine numărul pachetelor schimbate într-o direcţie a conexiunii. Fiecare parte a conexiunii ţine propriul contor. Numărul ia valoarea zero după ce depăşeşte 0FFFFh. Deoarece SPX controlează acest câmp, clienţii nu sunt interesaţi de valoarea lui. Acknowledge Number (Număr de confirmare) Acest câmp indică numărul de secvenţă al următorului pachet pe care SPX se aşteaptă să îl recepţioneze. Orice pachet cu un număr de secvenţă mai mic decât valoarea acestui câmp este în secvenţa corectă şi nu trebuie retransmis. Deoarece SPX controlează acest câmp, clienţii nu sunt interesaţi de valoarea lui. Allocation Number (Număr de buffere alocate)

92 Acest câmp indică numărul de buffere de ascultare disponibile într-o direcţie a conexiunii. SPX poate să trimită pachete doar până când numărul de secvenţă devine egal cu numărul de buffere alocate la celălalt capăt al conexiunii. Deoarece SPX controlează acest câmp, clienţii nu sunt interesaţi de valoarea lui. II IP Transmission Control Protocol (TCP) şi Internet Protocol (IP) se referă de fapt la un set de protocoale şi servicii care împreună permit calculatoarelor legate în reţea să se interconecteze pentru a realiza transferuri de fişiere, servicii de poştă electronică şi sesiuni de lucru interactiv la distanţă. TCP este folosit pe scară largă în mediile academice şi inginereşti (şi, de exemplu, în cadrul reţelei guvernamentale americane). De asemenea, datorită marelui număr de programe apărute pe piaţă care folosesc TCP/IP, acest set de protocoale a început să fie din ce în ce mai răspândit în mediul comercial, ca şi în cadrul reţelelor locale de calculatoare. Între protocoalele de nivel 3 (nivelul REţEA) documentate de Departamentul de Apărare al Statelor Unite (DoD - Department of Defense), Internet Protocol este cel mai important. Principalul său scop este de a interconecta mai multe reţele bazate pe schimbul de pachete într-o supra-reţea (internet - în continuare vom înţelege prin internet (scris cu litere mici) orice suprareţea (reţea globală). Atunci când este nevoie să se specifice în mod explicit că este vorba despre reţeaua Internet iniţiată de către DoD, cuvântul Internet se va scrie cu prima literă capitalizată). IP îşi oferă serviciile diferitelor protocoale de pe nivelele superioare (Upper Layer Protocols - ULP) prin asistarea livrării datelor ULP prin internet în cadrul unuia sau mai multor blocuri de date (datagrams)

93 Figura 1. O privire din punct de vedere logic asupra structurii Internet la nivelul IP Arhitectura internet permite o ierarhie de reţele independente logic pe două nivele. Nivelul cel mai de sus este conexiunea între reţele pereche. O reţea poate să conţină o colecţie de subreţele pereche. Reţelele şi subreţelele pot să conţină hosturi ataşate direct, după cum se poate observa în figura 1. Singura diferenţă între reţele şi subreţele constă în modul în care sunt interpretate adresele IP şi depinde de localizarea modulului IP specificat de adresă. În majoritatea cazurilor, subreţelele pot fi numite pentru simplitate reţele. În general, termenul "subreţea" este folosit doar în cazul în care este necesar să se facă distincţia între diferitele nivele ierarhice ale internet. IP este limitat la funcţiile de bază necesare transmisiei unui bloc de date (datagram) prin internet. Fiecare bloc de date este o entitate independentă, nefiind legată de alte "datagrame" (traducerea, poate puţin forţată, a termenului "datagram" este preluată din cartea "Reţele de calculatoare", cu semnificaţia "mesaj fără confirmare"). Nivelul IP al hostului asigură servicii protocoalelor de la nivelul transport şi foloseşte serviciile nivelului legăturii de date pentru a transmite datagramele hostului destinaţie. IP nu pretinde că ar oferi servicii sigure. Calculatoarele gazdă (hosts) vor ignora datagramele atunci când nu au resurse suficiente pentru procesare şi nu vor detecta datagramele pierdute sau ignorate de către nivelul legăturii de date. IP izolează protocoalele de pe nivelele superioare de caracteristicile specifice reţelei. Serviciile adiţionale furnizate de către IP includ diferite nivele de comportare a transmisiei, implicând caracteristici ca: precedenţă, nivel de încredere, întârzieri. IP permite de asemenea etichetarea datelor, necesară în medii sigure, pentru a asocia datelor informaţii de securitate. Transmisia începe atunci când un protocol de pe nivelul superior transmite date către IP pentru livrare. IP împachetează datele în format internet datagram şi le transmite protocolului de pe nivelul

94 legăturii de date pentru transmisie prin reţeaua locală. Dacă hostul destinaţie se află legat direct în reţeaua locală, IP trimite pachetul direct acestui host. Dacă destinaţia se află într-o altă reţea, IP trimite pachetul unui gateway IP local pentru transmisie. Acest gateway va trimite pachetul prin următoarea reţea hostului destinaţie sau unui alt gateway. Astfel, datagrama se propagă prin setul de reţele interconectate de la un modul IP la altul, până când aceasta ajunge la destinaţie. Pachetele transmise de către hostul numărul 1 pot să circule pe una dintre cele două căi prezentate. (figura 2) Figura 2. Transmisia datelor prin intermediul IP Gateway-urile, uneori numite "Routere IP" (sau "Local Bridges" ori "Remote Bridges") sunt de fapt un fel de "relee de pachete" care interconectează două sau mai multe reţele sau subreţele. Fiecare gateway conţine un modul IP aflat deasupra a două sau mai multe procese bazate pe protocoale aflate la nivelul legăturii de date. Modulele IP folosesc reguli comune pentru interpretarea adreselor internet necesare în procesul stabilirii traseului pe care pachetul trebuie să-l urmeze pentru a ajunge la destinaţie. Rutarea executată de către un gateway se bazează pe câmpul network/subnetwork al adresei internet de destinaţie. Un gateway ataşat mai multor reţele trebuie să decidă care este reţeaua următoare prin care trebuie să treacă pachetul pe care l-a primit pentru a ajunge la destinaţie. De asemenea, trebuie să decidă dacă hostul destinaţie se află în cadrul următoarei reţele (caz în care pachetul poate fi trimis direct acestui host) sau dacă cel puţin un alt gateway este necesar pentru a trimite pachetul către reţeaua destinaţie aflată la distanţă. Pentru a determina care este următorul gateway căruia trebuie să-i fie transmis pachetul, echipamentul gateway curent trebuie să cunoască opţiunile pe care le are la dispoziţie şi modul de alegere a următorului gateway dintre cele disponibile. Echipamentul gateway curent trebuie să fie capabil să achiziţioneze într-un fel oarecare informaţii despre alte echipamente gateway şi despre căile disponibile pentru ca un pachet să poată atinge reţeaua destinaţie. Cel mai bine ar fi ca aceste informaţii privind posibilitatea atingerii de către un pachet a unei reţele îndepărtate să poată fi achiziţionată şi menţinută dinamic, în acord cu conectivitatea instantanee asigurată de toate celelalte echipamente gateway ale reţelei globale (internet). Pentru a putea fi atins acest scop, echipamentele

95 gateway trebuie să fie capabile să schimbe între ele informaţii asupra posibilităţii de a trimite un pachet către diferite reţele. De-a lungul anilor, au fost dezvoltate mai multe protocoale gatewaygateway, protocoale care caută să furnizeze acest schimb de informaţii. Echipamentele gateway care conectează un set de reţele private din punct de vedere al proprietăţii şi administrării pot să folosească orice protocol, fără restricţii. De obicei, un asemenea protocol privat se numeşte Interior Gateway Protocol (IGP). În termeni IP, fiecare astfel de reţea administrată independent este numită sistem autonom (Autonomous System). Pe de altă parte, toate echipamentele gateway care fac legătura între reţele private şi reţele publice de date (DDN, Digital Data Networks) trebuie să folosească un protocol oficial simplu şi bine definit numit Exterior Gateway Protocol. 1. Headerul IP Pachetele (datagramele) IP au un antet (header) bine definit, header definit de standardele DoD (U.S.A. Department of Defense). Acest header are structura prezentată în figura 3. În continuare sunt prezentate câmpurile care compun acest header: Version (Versiune) Abreviere: VER Lungimea câmpului: 4 biţi Câmpul Version indică formatul headerului IP. Va fi prezentată în continuare versiunea 4, ultima până la data apariţiei materialului bibliografic avut la dispoziţie (1988). Versiunile 1 3 nu mai erau deja folosite încă la acea dată. Câmpul Version indică versiunea protocolului căreia îi aparţine pachetul. Includerea versiunii protocolului în fiecare pachet face posibilă dezvoltarea de noi protocoale şi testarea acestora fără a afecta buna funcţionare a reţelei. Internet Header Length (Lungimea headerului Internet) Abreviere: IHL Lungimea câmpului: 4 biţi Unitate: Grupe de câte 4 octeţi Gamă: 5 15 (implicit 5) Câmpul Internet Header Length indică lungimea headerului IP exprimată în multipli de unităţi de 32 biţi. Acest câmp este necesar deoarece headerul IP are o lungime variabilă datorită faptului că lungimea câmpului Options nu este constantă

96 Figura 3. Headerul IP Type of Service (Tipul de serviciu) Abreviere: TOS Lungimea câmpului: 8 biţi Câmpul Type of Service conţine parametrii IP care descriu calitatea serviciului dorită pentru prezentul pachet transmis. Câmpul permite calculatorului gazdă să specifice reţelelor de tranzit tipul de serviciu pe care îl doreşte. Câmpul permite specificarea precedenţei pachetului, nivelul dorit de încredere şi nivelul presupus de consumare a resurselor, după cum se va arăta mai jos. Tipul de serviciu se foloseşte pentru a specifica reţelelor de tranzit ce serviciu se doreşte de la acestea. Reţelele de tranzit decid dacă pot sau doresc să se achite de serviciile cerute. Total Length (Lungimea totală) Abreviere: TL Lungimea câmpului: 16 biţi Total Length este lungimea pachetului, măsurată în octeţi, incluzând headerul IP şi zonele de date ale pachetului. Se observă că lungimea câmpului Total Length permite o lungime totală maximă a pachetului de octeţi. Identification (Identificare) Abreviere: ID Lungimea câmpului: 16 biţi

97 Câmpul reprezintă o valoare de identificare folosită pentru a asocia fragmentele unui pachet. ULP (Upper Layer Protocol) care transmite de obicei generează această valoare ca pe un parametru al interfeţei. Altfel, IP generează acest câmp în aşa fel încât el să fie unic pentru fiecare ULP care transmite. Câmpul Identification indică numărul pachetului pentru a permite calculatorului gazdă destinaţie să determine cărui pachet îi aparţine fragmentul care tocmai a sosit. Flags (Indicatori) Abreviere: - Lungimea câmpului: 3 biţi Acest câmp conţine indicatorii de control Don't Fragment (a nu se fragmenta, care inhibă fragmentarea pachetului de către IP) şi More Fragments (care ajută la identificarea poziţiei unui fragment în pachetul original). Indicatorul Don't Fragment este destinat pentru folosirea cu calculatoare gazdă care nu sunt capabile să reconstituie pachetul din fragmentele din care este format. De fapt, multe implementări ale TCP/IP nu permit fragmentarea şi reconstituirea pachetelor. Fragment Offset (Offsetul fragmentului) Abreviere: FO Lungimea câmpului: 13 biţi Unitate: Grupe de câte 8 octeţi Gamă: (implicit 0) Câmpul indică poziţia fragmentului relativ la începutul datelor în pachetul original. Atât un pachet complet, cât şi primul fragment al unui pachet au acest câmp resetat. Fragment Offset localizează poziţia fragmentului curent într-un pachet ca multiplu de 8 biţi. Pentru aceasta, lungimea câmpului este de 13 biţi, deci sunt permise maximum fragmente pentru fiecare pachet, în acest caz extrem, primele fragmente vor avea lungimea de un octet. Time-to-Live (Timp de viaţă) Abreviere: TTL Lungimea câmpului: 8 biţi Unitate: secunde Gamă: (255=4,25 minute) Acest câmp indică timpul maxim cât poate să rămână pachetul în internet. Când valoarea acestui câmp, după decrementare, ia valoarea zero, pachetul ar trebui distrus. Unitatea de timp utilizată pentru măsurarea timpului de viaţă al pachetului este secunda, deci timpul maxim de viaţă al unui pachet este 255 secunde (4,25 minute). Valoarea câmpului este scăzută cu cel puţin 1 de către fiecare router prin care trece pachetul

98 Protocol (Protocol) Abreviere: PROT Lungimea câmpului: 16 biţi Acest câmp arată care ULP (Upper Level Protocol) trebuie să recepţioneze porţiunea de date a unui pachet. Numerele asignate ULP-urilor uzuale sunt disponibile de la DoD Executive Agent for Protocols. Unele vor fi arătate mai jos, în tabelul 3. Câmpul Protocol specifică protocolul particular de la nivelul 4 căruia îi aparţine pachetul (de exemplu, TCP sau alt protocol echivalent). Număr (zecimal) Prescurtare Descriere 0 Reserved 1 ICMP Internet Control Message 5 ST Stream 6 TCP Transmission Control Protocol 8 EGP Exterior Gateway Protocol 9 IGP Any private interior gateway protocol 11 NVP Network Voice Protocol 17 UDP User Datagram Protocol 20 HMP Host Monitoring Protocol 22 XNS-IDP Xerox Network Systems Internet Datagram Protocol 27 RDP Reliable Data Protocol 28 IRTP Internet Reliable Transaction Protocol 29 ISO-TP4 ISO Transport Protocol Class 4 30 NETBLT Bulk Data Transfer Protocol 61 Any host internal protocol Tabelul 3. Numere de protocol asignate în cadrul headerului IP

99 Header Checksum (Suma de control a headerului) Lungimea câmpului: 16 biţi Acest câmp conţine o sumă de control aplicată doar headerului IP. Suma de control ajută la detectarea unor eventuale erori apărute în timpul transmisiei. Algoritmul după care se generează această sumă de control este: se adună complementele faţă de 1 ale tuturor entităţilor headerului (grupate pe câte 16 biţi) şi apoi se complementează suma faţă de 1. Suma de control a headerului se foloseşte doar pentru a verifica validitatea datelor din cadrul headerului. Ori de câte ori pachetul trece printr-un gateway, această sumă de control este recalculată (deoarece de fiecare dată este modificat câmpul TTL). Source Address (Adresa sursei) Abreviere: SOURCE Lungimea câmpului: 32 biţi Acest câmp conţine adresa Internet a calculatorului gazdă care a generat pachetul. Destinaton Adress (Adresa de destinaţie) Abreviere: DEST Lungimea câmpului: 32 biţi Câmpul conţine adresa Internet a hostului destinaţie. Adresele sursă şi destinaţie indică numărul reţelei folosind 8 24 biţi. Biţii nefolosiţi pentru identificarea reţelei sunt folosiţi pentru a referi numărul hostului şi, opţional, numărul subreţelei. Options (Opţiuni) Abreviere: OPT Lungimea câmpului: variabilă Acest câmp a fost prevăzut pentru a permite unor versiuni ulterioare ale protocolului să includă informaţii care nu sunt prezente în implementarea originală, să permită experimentatorilor s încerce noi idei şi să evite alocarea permanentă a unor biţi în cadrul headerului pentru informaţii rar folosite. Lungimea acestui câmp depinde de numărul şi tipurile opţiunilor asociate cu pachetul. Opţiunile definite oficial sunt: - Security etichetează nivelul, compartimentul, grupul de utilizatori şi restricţiile de manipulare, aşa cum sunt ele cerute de DoD; - Loose Source Routing - permite celui care trimite pachetul să ceară ca pachetul să urmeze o cale oarecare (generală) prin reţea; - Strict Source Routing - cere ca pachetul să urmeze o cale specificată; - Record Route - înregistrează calea urmată de pachet; - Stream ID - permite unui gateway să manipuleze o colecţie de pachete în acelaşi fel;

100 - Timestamp - permite o înregistrare a căii pe care o urmează un pachet prin reţea cu înregistrarea de asemenea a momentelor în care pachetul a ajuns în diferite locuri. 2. Fragmentarea şi reasamblarea pachetelor Reţelele întotdeauna impun o lungime maximă a pachetelor, din cauza: - limitărilor hardware (lăţimea unui slot de transmisie); - limitărilor software ale unui sistem de operare particular (de exemplu, un sistem de operare ar putea cere ca lungimea pachetelor pe care le manipuleaăî să nu depăşească 512 octeţi); - protocoalele folosite (restricţii privind numărul de biţi în câmpul de lungime a pachetelor); - restricţii impuse de standard; - măsuri luate pentru reducerea numărului de erori; - limitări privind durata cât un pachet poate ocupa un canal. În continuare, în tabelul 4, se prezintă un tabel care demonstrează diversitatea lungimii maxime a pachetelor impusă de diferite reţele. Numele reţelei Maxim biţi Bell Labs' Spider 256 ALOHANET (University of Hawaii) 640 X.25 (implicit) ARPA Packet Radio Network ARPANET X.25 (maxim) Ethernet Tabelul 4. Lungimea maximă a pachetului în funcţie de reţea. Pachetele IP de nivel 3 în tranzit pot să traverseze subreţele a căror lungime maximă a pachetelor este mai mică decât lungimea pachetului. Pentru a se rezolva această problemă, IP prevede mecanismele de fragmentare şi reconstituire a pachetelor. Atunci când un gateway ar trebui să trimită un pachet într-o reţea care nu poate primi pachetul din cauza lungimii sale, echipamentul gateway trebuie să fragmenteze pachetul original în mai multe subpachete, numite fragmente de pachet (datagram fragments), care sunt suficient de mici pentru a putea fi transmise. Datagramele IP sunt transmise independent, deci datagramele fragmentate pot să nu se "întâlnească" până când ajung la calculatorul gazdă destinaţie şi pot chiar să ajungă în altă ordine decât cea originală. Deci, toate host-urile care pot să recepţioneze pachete trebuie să fie capabile să le şi reasambleze

101 Figura 4. Fragmentarea unui pachet cu lungimea de 10 octeţi în cazul unei reţele care acceptă doar pachete cu lungimea de până la 8 octeţi. Modulul IP din host-ul destinaţie va reasambla datagramele fragmentate într-o singură datagramă pentru livrare către clientul său de pe nivelul transport (4)

102 Figura 4 ilustrează procesul fragmentării pachetelor. Pentru claritate, figura este simplificată, neincluzând headere etc. Trebuie remarcat că nu toate protocoalele efectuează fragmentarea şi reasamblarea în acelaşi fel. XNS (Xerox Network Standard) cere ca reasamblarea să fie făcută de către reţeaua care a fragmentat datagrama, ceea ce simplifică implementarea pentru host-urile receptoare. XNS impune o restricţie importantă rutării inter-reţea şi caracteristicilor reţelei finale (receptoare) şi anume ca cele două reţele să admită pachete de aceeaşi lungime maximă. 3. Setarea parametrilor IP IP poate să-şi adapteze serviciile pentru a permite existenţa unei diversităţi de ULP-uri. De exemplu, un protocol de la nivelul transport care are cerinţe de lucru în timp real, cum ar fi NVP (Network Voice Protocol) poate să folosească serviciul IP de transmisie de pachete într-un mod care diferă de metodele utilizate de TCP, de exemplu. Există metode specifice prin care ULP-urile pot să identifice serviciile care vor fi oferite de către IP şi să adapteze aceste servicii într-o configuraţie particulară a reţelei. De exemplu, dacă se doreşte ca un pachet (datagramă) să parcurgă o rută specifică în drumul său către destinaţie, o astfel de rută (numită Source Route) poate fi specificată de către ULP. Fiecare modul IP este capabil să trimită datagrama conform rutei specificate, eventual mărită de către mecanismul standard de rutare, dacă este necesar. Parametrii setabili ai IP se pot încadra în două categorii: - parametri privind calitatea serviciilor (Service Quality Parameters); - opţiuni privind serviciile (Service Options). Parametrii privind calitatea serviciilor influenţează serviciul de transmisie asigurat de către echipamentele gateway care intervin în procesul de transmisie, iar opţiunile privind serviciile sunt folosite pentru a specifica cererea de servicii speciale care trebuie asigurate în cadrul modulelor IP. 4. Parametrii de calitate a serviciilor Acele ULP care ştiu că datagramele lor vor trece prin echipamente gateway care pot efectua modificări asupra pachetelor care trec prin ele, pot să sugereze acestor echipamente gateway tratamentul pe care acestea să-l aplice fiecăruia dintre pachetele trimise. Aceste sugestii se realizează prin intermediul parametrului TOS (Type of Service) din cadrul headerului pachetului IP. Semnificaţia acestui câmp poate fi: Precedence (Precedenţa) indică echipamentului gateway să încerce să aplice un tratament preferenţial pentru datagrame care au o înaltă importanţă. Tratamentul preferenţial poate să prevină astfel de datagrame să fie întârziate în cadru unei cozi în interiorul echipamentului gateway, de exemplu. Transmision mode - datagram versus stream (Modul de transmisie datagramă sau şir de datagrame) - Modul Datagram (implicit) indică faptul că ULP consideră această datagramă ca fiind un eveniment sporadic, necorelat cu datagrame trecute sau viitoare. Modul Stream cere

103 echipamentului gateway să minimizeze întârzierile şi dispersia întârzierilor între transmisiile pachetelor similare, prin rezervarea resurselor reţelei. Reliability (încredere) - destinat minimizării pierderii datelor şi ratei erorilor. Acest parametru asigură faptul că resursele cozilor sunt alocate în primul rând pachetelor care cer un înalt nivel de siguranţă şi faptul că pachetele care nu cer în mod explicit acest lucru pot să fie "aruncate" în cazul în care nu mai este loc în coadă şi apare un pachet care cere un înalt nivel de încredere. Resource Tradeoff indică dacă este mai important să se onoreze cererea de "High Precedence" sau cea de "High Reliability" în cazul în care echipamentul gateway nu poate să le asigure pe ambele în acelaşi timp. Noţiunea de Stream Mode versus Datagram Mode de obicei nu este folosită în cazul reţelelor locale sau WAN terestre, dar se foloseşte în cazul reţelelor bazate pe rutarea prin satelit, deoarece routerele aflate pe sateliţi în general pot să ceară alocarea unei benzi de transmisie în avans. Dacă routerul constată că începe să recepţioneze pachete care au bitul Stream Mode setat, el poate să anticipeze primirea mai multor pachete care fac parte din acelaşi şir şi deci va cere staţiilor sale pereche alocarea într-un viitor apropiat a unei benzi de frecvenţă mai mari pentru a se asigura că un pachet care va fi recepţionat nu va fi întârziat în momentul recepţiei pentru a se cere alocarea unei benzi de frecvenţă în timp real (routerele aflate pe sateliţi nu pot să comunice între ele instantaneu; pachetele care trec prin ele au cel puţin o întârziere de un sfert de secundă). 5. Opţiuni privind serviciile Headerul IP poate să fie expandat pentru a include unele câmpuri opţionale pentru a cere servicii IP în nodurile sursă, destinaţie sau intermediare (de rutare). Câteva dintre opţiunile definite sunt: Security Labeling Identifică nivelul de securitate (secret, strict secret etc.) al datagramei pentru serverele care conţin informaţii secrete. Source Routing Selectează setul de module IP din echipamentele gateway prin care trebuie să treacă pachetul, în acord cu specificaţia celui care trimite pachetul. Permite unui nod să selecteze reţelele prin care urmează să tranziteze pachetul şi reţelele prin care nu trebuie să tranziteze pachetul, astfel îmbunătăţind nivelul de securitate al unor anumite tipuri de tranzacţii. Source Routing poate fi specificată ca fiind "slabă" (lăsându-se echipamentului gateway unele libertăţi) sau "strictă". Route Recording - Cere înregistrarea modulelor IP din cadrul echipamentelor gateway prin care tranzitează pachetul, astfel încât hostul destinaţie poate să ştie toate locurile prin care a trecut pachetul. Stream Identification Identifică şirul de pachete căruia îi aparţine pachetul; este folosit în cadrul serviciilor de tip stream. Timestamping - Permite echipamentului gateway să marcheze momentul în care a procesat o datagramă. Don't Fragment Marchează o datagramă ca fiind o unitate indivizibilă, care nu trebuie să fie fragmentată de către echipamentul gateway

104 6. Serviciul de raportare a erorilor Unele erori detectate de către protocoalele de la nivelul legăturii de date sau raportate de către protocoalele IP pereche trebuie indicate de către nivelul IP al unui host nivelelor superioare interesate de aceste erori. Aceste indicaţii descriu câteva clase de erori, incluzând argumente invalide, resurse insuficiente şi probleme de transmisie. Erorile care sunt raportate de IP nivelelor superioare sunt în general determinate de fiecare implementare a IP. 7. Asignarea adreselor IP în funcţie de configuraţia reţelei Unul dintre scopurile IP este de a asigura servicii într-o mare varietate de medii (reţele şi reţele globale). Mecanismul de adresare IP este astfel conceput încât să permită trei clase diferite de configuraţii ale reţelelor. Cele trei clase de adrese IP, notate A, B, C, sunt prevăzute pentru reţele care au: A - multe hosturi distribuite în reţele puţine; B - o distribuţie medie a hosturilor şi reţelelor; C - puţine hosturi în multe reţele. Aceste situaţii sunt ilustrate în figura 5. Figura 5. Tipuri de reţele Doar 32 de biţi sunt alocaţi pentru a exprima o adresă IP completă, care constă atât din adresa reţelei, cât şi din adresa hostului. O reţea globală care conţine doar câteva reţele va avea nevoie doar de câţiva biţi pentru a identifica reţeaua. Prin convenţie, aceştia vor fi cei mai semnificativi biţi dintre cei 32 biţi disponibili pentru adresare. Pe de altă parte, o retea globală cu multe reţele va avea nevoie de mai mulţi biţi pentru a exprima toate adresele de reţele componente, deci va ocupa mai mulţi biţi dintre cei 32 disponibili pentru a exprima adresa reţelei (aceşti biţi vor fi tot cei mai seminficativi biţi ai adresei)

105 În cadrul unei reţele, hosturile pot fi organizate în comunităţi mai mici, numite subreţele. Forma adreselor IP permite, pentru proiectarea subreţelelor, mascarea unor biţi pentru a putea fi folosiţi pentru identificarea subreţelelor. De exemplu, un campus poate avea o adresă clasă B, care cere 2 octeţi pentru porţiunea alocată reţelei şi doi octeţi pentru porţiunea alocată hostului. În loc să existe adrese de hosturi, se poate alege soluţia divizării campusului în 254 subreţele (un octet), fiecare având câte 254 de hosturi (celălalt octet). Trebuie făcută observaţia că doar 254 de hosturi, respectiv reţele sunt posibile, deoarece valorile 0 şi 255 sunt rezervate). Adresele IP, măştile şi formatele pentru cele trei clasificări sunt ca în tabelul 5: Clasa Cei 3 biţi mai semnif. Biţi pt. id. reţea Biţi pt. id. HOST Mască pt. id. reţea (hex) A 0XX 7 24 FF B 10X FFFF0000 C FFFFFF00 Tabelul 5. Clasificarea tipurilor de reţele. După cum se poate observa din tabelul de mai sus, inspectând primii trei biţi ai unei adrese de IP se poate şti dacă este o adresă de clasă A, B sau C. Dacă primul (cel mai semnificativ) bit este 0, atunci adresa este o adresă clasă A. Dacă primul bit este 1, trebuie inspectat al doilea bit. Dacă primul bit este 0 şi al doilea bit este 0, atunci adresa este de clasă B. Dacă primii trei biţi sunt 110, adresa este de clasă C. Dacă primii trei biţi sunt 111, atunci avem de a face cu o adresă clasă D, care nu este folosită (este o combinaţie păstrată pentru dezvoltări ulterioare). Aceste combinaţii sunt prezentate în tabelul 6: Clasă A primul bit 0 Clasă B primul bit 1 al doilea bit 0 Clasă C primul bit 1 al dilea bit 1 al treilea bit 0 Clasă D primul bit 1 al doilea bit 1 al treilea bit 1 Tabelul 6. Tipuri posibile de reţele. O adresă IP este de obicei reprezentată ca patru câmpuri separate de câte un punct, fiecare câmp reprezentând un octet (având deci valori cuprinse între 0 şi 255). Diferenţele în interpretările acestor câmpuri depind de clasa căreia îi aparţine adresa respectivă. Se observă posibilitatea identificării clasei unei aderse IP prin examinarea primului octet al adresei, ca în tabelul

106 Valoare Clasă A B C D Tabelul 7. Identificarea clasei unei reţele în funcţie de primul octet al adresei IP De exemplu, este o adresă de clasă A, este o adresă de clasă B, iar este o adresă de clasă C. 8. Servicii pe care IP le cere nivelelor inferioare IP nu oferă doar servicii pentru ULP. În conformitate cu principiile ISO OSI, IP cere servicii nivelelor inferioare, incluzând transferul transparent de date între calculatoare gazdă din cadrul aceleiaşi subreţele şi raportarea de erori. Datagramele pot să nu fie recepţionate în ordinea în care au fost transmise şi nici nu se garantează transmiterea lor fără erori. Nivelele inferioare nivelului IP generează rapoarte privind erorile de la nivelul subreţea şi cele inferioare, după caz. Cerinţele de mesaje de eroare specifice sunt dependente de subreţeaua în cauză. De exemplu, în cazul unei subreţele de tip Ethernet, spre deosebire de WAN, în general nu se raportează erori, cu excepţia cazului în care datagrama trebuie să fie abandonată din cauza apariţiei a 16 coliziuni consecutive. Cât timp livrarea unei datagrame prin IP nu se pretinde că ar fi infailibilă, modul în care un modul IP reacţionează la informaţiile de eroare provenite de la nivelele inferioare este în mare măsură nespecificat. 9. Internetwork Control Message Protocol (ICMP) Nivelele superioare pot să dorească transmitera de mesaje către modulele IP, prin care să anunţe faptul că unele aspecte privind comportarea hostului care transmite pachete ar trebui modificate. Pentru aceasta se foloseşte ICMP. În general, mesaje ICMP sunt generate de către staţii care percep o eroare sau o problemă în cadrul unui pachet pe care un alt host l-a transmis. Eroarea poate fi detectată ori de hostul destinaţie, ori de un echipament gateway intermediar. Dacă reţeaua, maşina sau portul destinaţie nu pot fi atinse, un gateway poate folosi ICMP pentru a avertiza hostul sursă asupra acestui fapt. ICMP poate de asemenea avertiza hostul sursă asupra rutelor preferate sau asupra congestiei reţelei. ICMP este în mod oficial considerat ca făcând parte din IP. Totuşi, datagramele ICMP sunt trimise folosind IP. Deci, ICMP este o parte funcţională a nivelului trei, dar este codificat ca şi când ar face parte din nivelul patru. 10. Adress Resolution Protocol (ARP) Toate staţiile şi echipamentele gateway sunt codificate folosind o adresă IP, care este limitată la 32 biţi. Transmiterea de pachete printr-o reţea Ethernet, de exemplu, cere adrese destinaţie de 48 biţi

107 pentru a identifica nodul destinaţie. De aceea, se pot inventa, de exemplu, cei 16 biţi adiţionali. Dar, nici aceasta nu este o soluţie, deoarece adresele Ethernet sunt arbitrare şi în general sunt setate de către producătorii cartelelor de cuplare la reţea (ba mai mult, primii 3 octeţi ai adresei unei cartele Ethernet în general identifică producătorul cartelei). Deci, nu vor exista în general staţii care să aibă adrese legate în vreun fel. De aceea, un alt set de servicii trebuie asigurat în cadrul nivelului reţea, pentru a asigura transformarea unei adrese IP de 32 biţi într-o adresă Ethernet de 48 biţi. Astfel a apărut ARP. Atunci când un proces de la nivelul reţea doreşte să transmită un pachet care are adresa Internet specificată, dar a cărui adresă Ethernet nu este cunoscută, acel proces de la nivelul reţea trebuie să transmită o cerere ARP broadcast pentru a afla adresa Ethernet a destinaţiei. Un nod urmează să răspundă cererii de adresă Ethernet conţinută în pachetul ARP, de obicei chiar nodul destinatie. Când este recepţionat răspunsul, de obicei cei 48 biţi sunt reţinuţi într-un cache, astfel încât atunci când va fi făcută o cerere de transmitere a unui pachet către o destinaţie, corespondentul Ethernet al adresei IP destinaţie este căutat în cache, iar dacă este găsit, pachetul este transmis direct şi se poate evita o tranzacţie ARP. Altfel, se generează un nou pachet ARP pentru a se afla adresa Ethernet corespunzătoare destinaţiei. Deci, un host rezolvă adresa destinaţie în următorul mod: Caută în cache adresa Ethernet corespunzătoare. Dacă nu o găseşte, apelează la ARP pentru a transmite o cerere de adresă Ethernet în reţea. Ca o alternativă, se poate folosi un fişier de configuraţie aflat la nivelul hostului sursă. Deci, există trei surse tipice din care se poate afla echivalentul Ethernet al unei adrese IP: - răspunsul la cereri ARP; - memoria cache de adrese provenite de la răspunsuri ARP anteroiare; - informaţia conţinută în fişierele de configuraţie. Specificarea protocolului ARP permite acestui protocol să convertească o datagramă IP într-o cerere ARP. Astfel, datagrama va fi 'consumată". De aceea, ULP trebuie să fie gata să asigure din nou datagrama nivelului trei. Deoarece funcţiile IP sunt considerate ca nedemne de încredere, pachetul transformat în cerere ARP este văzut de nivelul transport (nivelul patru) ca un pachet pierdut. Trebuie remarcat că ARP localizează hosturi aflate în aceeaşi reţea sau subreţea ca şi hostul sursă. Utilitatea sa este limitată deci la un broadcast Ethernet. Pentru a trimite pachete unui host dintr-o altă reţea, datagrama trebuie întâi trimisă unui router ataşat reţelei sursă. în acest caz, hostul sursă trebuie să identifice adresa routerului, care apoi va trimite datagrama către reţeaua destinaţie. Unele routere IP răspund la cereri ARP în numele unui host îndepărtat. Hostul sursă este astfel "păcălit", deoarece va crede că îi răspunde hostul destinaţie. Această tehnică se numeşte Proxy ARP. Folosirea ei nu este în general recomandată, dar este necesară atunci când IP-ul unui host nu este suficient de sofisticat pentru a determina faptul că pachetul trebuie trimis unui router pentru a putea ajunge la destinaţie. 11. Reverse Address Resolution Protocol (RARP) Să presupunem că singurul lucru pe care o staţie îl ştie la iniţializare este propria sa adresă Ethernet, de obicei prin citirea informaţiei de configuraţie proprii. Deci, respectiva staţie nu îşi cunoaşte

108 propria adresă IP. De aceea, este necesar să încerce să afle această adresă la iniţializare. Pentru servirea acestui scop s-a implementat protocolul RARP, care permite unei staţii să trimită un pachet broadcast prin care să ceară informaţii de tipul "Cine sunt eu?", adică "Ce adresă IP am eu?". De obicei, un host (tipic, un server RARP) trebuie să fie pregătit să execute inversul unui ARP, adică să trimită înapoi adresa IP corespunzătoare adresei Ethernet primită. Acest protocol (RARP) este folosit doar la iniţializare. RARP nu mai este apoi rulat până la o nouă iniţializare a sistemului. O valoare 8035h a câmpului Type din cadrul headerului Ethernet identifică un pachet RARP. Trebuie notat că trebuie să existe un server RARP pe fiecare segment Ethernet, deoarece se folosesc pachete de tip broadcast, care nu sunt transferate mai departe de către routerele IP. 12. IP în cadrul reţelelor IEEE 802 Formatul pachetelor în reţelele IEEE 802 diferă de formatul folosit în reţelele Ethernet. În particular, standardul IEEE nu prevede un câmp Type, ca reţelele Ethernet. Câmpul corespunzător este folosit pentru a specifica lungimea pachetului. Câmpuri adiţionale specifică informaţii despre Link Service Access Point (LSAP) şi Subnetwork Access Point (SNAP), aşa cum sunt ele definite în standardul IEEE Aceste protocoale nu sunt încă oficial adoptate pentru folosirea de către IP, dar par să câştige din ce în ce mai mult teren. Ethernet IEEE DA SA TYPE DATA DA SA Length DSAP SSAP Control Protocol ID Type DATA Figura 6. Poziţia headerului SNAP. SNAP va asigura o metodă standardizată de încapsulare a datagramelor IP în cele trei tipuri de reţele prevăzute în standardul IEEE 802. De asemenea, va asigura un standard pentru implementarea unor protocoale legate de IP, cum ar fi ARP. Încapsularea despre care s-a vorbit arată ca în figura 6. Pentru a indica prezenţa unui header SNAP, câmpurile DSAP şi SSAP trebuie să aibă ambele valoarea 0AAh. Trebuie asignat un identificator de protocol SNAP (poate să aibă şi valoarea zero)

109 pentru a indica faptul că urmează un pachet Ethernet încapsulat. Câmpul Ethernet Type va indica dacă acest pachet este în format IP sau nu. II TCP Nivelul transport este al patrulea nivel din cadrul modelului referinţă OSI, după cum se arată şi în figura 7. Figura 7. Nivelul transport Nivelul transport este destinat să asigure unei maşini servicii de conexiune şi tranzacţie. Nivelele inferioare ale modelului se ocupă de transmisia şi rutarea pachetelor între diferite maşini. Nivelul transport are menirea de a oferi servicii de transmisie eficiente şi sigure între diferite procese şi nu între maşini. Toate cele patru nivele conlucrează pentru a oferi un serviciu de transport complet, înlesnind o comunicaţie robustă şi transparentă pe baza cărora se pot construi apoi protocoale la nivelele superioare. Scopul acestui nivel este de a oferi o cale de comunicaţie între diferite procese care să simuleze o legătură punct-la-punct, procesele nefiind interesate de modul cum se face de fapt comunicaţia. Un protocol de la nivelul transport execută această sarcină prin împărţirea datelor în pachete şi transmisia (eventual retransmisia) lor pentru a permite livrarea datelor în ordine, fără duplicate sau omisiuni. TCP/IP asigură două protocoale principale la nivelul patru: TCP (Transmission Control Protocol) şi UDP (User Datagram Protocol), cum se arată în figura

110 Figura 8. TCP şi UDP în cadrul nivelului transport Au fost specificate şi alte protocoale de transport, cum ar fi cele pentru transportul semnalelor audio digitizate, dar acestea nu fac obiectul prezentului proiect. TCP a fost proiectat să opereze în diferite reţele şi să ofere conexiuni virtuale între procese, prin transmisii sigure şi în ordine ale datelor utilizatorilor. TCP reprezintă baza unui mecanism de comunicaţie interprocese aşezat peste câteva nivele care oferă servicii nedemne de încredere, nivele în care pot să apară pierderi, duplicări, întârzieri, erori sau dezordonări ale pachetelor. Este un protocol complex, care trebuie să se ocupe, de exemplu, de detecţia pachetelor pierdute, retransmisia automată şi probleme "patologice", cum ar fi apariţia unor pachete duplicat întârziate. Potenţialul de a asigura robusteţe în faţa unui mediu de transmisie nesigur, fac din TCP un protocol foarte dorit de o multitudine de aplicaţii care fac apel la intercomunicaţie. TCP poate lucra şi în medii constituite din reţele interconectate. A fost special proiectat să lucreze deasupra protocolului IP, aflat la nivelul trei din modelul ISO OSI (nivelul reţea), ca în figura 9:

111 Figura 9. Relaţia între TCP şi IP. 1. Caracteristici generale ale TCP TCP are sarcina de a asigura servicii de comunicaţie sigure între procese pereche aflate în cadrul unor calculatoare gazdă distincte legate în aceeaşi reţea sau în cadrul unui set de reţele interconectate. Oferă transferuri de date orientate pe conexiune la nivelul transport aceleaşi servicii de bază ca şi Sequenced Packet Protocol (SPP) realizat în cadrul XNS. TCP acceptă o gamă largă de ULP care au nevoie să trimită date perechilor lor aflate pe alte calculatoare gazdă. TCP nu încearcă să impună vreo structură a datelor trimise de către un protocol de la nivel superior. TCP tratează datele primite ca pe un şir continuu, lăsând structurarea mesajelor pe seama ULP, spre deosebire de SPP, care ajută propriii clienţi la demarcarea mesajelor. TCP încearcă, totuşi, să segmenteze datele în unităţi distincte astfel încât ele să poată fi transmise şi recepţionate ca pachete individuale. Fiecare astfel de unitate este numită segment. Deoarece TCP a fost proiectat să fie independent de caracteristici particulare ale reţelelor în cadrul cărora operează, este dată o definiţie generală a noţiunii de pachet (sau segment) care permite existenţa unor pachete cu o lungime de până la 65KB. TCP pereche pot să-şi transmită pachete care au o lungime până la lungimea maximă definită în standard (65KB). În realitate, dacă se în cearcă schimbul unor pachete de o asemenea lungime, nivelele IP vor fi nevoite să împartă aceste pachete în multe pachete de nivel mai coborât, pentru ca acestea să corespundă lungimii maxime a pachetelor în cadrul reţelei din care hostul face parte. De obicei, diversele implementări ale TCP lucrează cu pachete care au lungimi adecvate reţelei la care sunt ataşate. TCP asignează câte un număr de ordine fiecărui octet al şirului infinit de date al clientului său. Atunci când schimbă segmente cu perechea sa, TCP etichetează segmentul cu numărul de ordine al primului octet al segmentului şi cu numărul de octeţi conţinuţi în pachet. Aceasta permite TCP să reasambleze fluxul de date atunci când îl livrează nivelelor superioare

112 Dacă este nevoit să retransmită o serie de segmente, TCP poate să reîmpacheteze datele, combinând două segmente mai mici într-un segment mai mare, de exemplu. Acest mecanism, motivat de dorinţa de a spori eficienţa transmisiei în cadrul unor reţele larg distribuite, unde se pune problema minimizării raportului între numărul de biţi ai headerului şi numărul de biţi de date, face ca TCP să fie mai complex decât alte protocoale de transport. Transmisia unui pachet folosind TCP poate să decurgă după cum urmează (figura 10): (1) ULP sursă trimit un flux de date către TCP pentru transmisie; (2) TCP împarte fluxul de date în segmente, eventual înzestrate cu informaţii privind retransmisiile, ordonarea, codificarea nivelelor de precedenţă şi de securitate, controlul fluxului de date şi contolul erorilor. Apoi, segmentul este trimis către IP. (3) IP execută propriile atribuţiuni (creând datagramele, executând eventualele fragmentări etc.) şi transmite datagramele prin nivelul legăturii de date şi nivelul fizic de-a lungul reţelei până la IP destinaţie; (4) IP destinaţie execută procesele de control sau reasamblare necesare şi livrează datagramele ca segmente către TCP destinaţie; (5) TCP destinaţie îşi execută propriile servicii (inverse celor de la pasul 2), restaurând datele fragmentate pentru a reconstitui fluxul original de date transmis şi livrează aceste date către ULP destinaţie

113 Figura 10. Procesul de transmisie O descriere completă a serviciilor menţionate la pasul doi de mai sus este: - Full-duplex - o conexiune TCP permite transmisia simultană în ambele direcţii a datelor între ULP corespunzătoare; - Timely - atunci când condiţiile din cadrul sistemului nu permit trimiterea la timp a datelor, aşa cum a fost specificat de un parametru de time-out al ULP, TCP anunţă ULP asupra eşecului şi ULP poate atunci termina conexiunea sau să ia o altă decizie adecvată; - Ordered - TCP livrează datele către ULP destinaţie în ordinea în care le-a primit de la ULP sursă; - Labeled - TCP asociază fiecărei conexiuni nivelele de precedenţă şi securitate care i-au fost indicate de către ULP în timpul stabilirii conexiunii. Atunci când informaţiile nu sunt indicate de către ULP-urile pereche, TCP va folosi nişte valori implicite. TCP stabileşte o conexiune între o pereche de ULP doar dacă informaţiile de securitate indicate de cele două ULP care formează perechea sunt identice. Fiecare segment TCP este etichetat cu valoarea negociată a indicatorului de

114 securitate. Dacă apare o neconcordanţă a nivelului de securitate în timpul unei conexiuni faţă de nivelul negociat la început, TCP va termina conexiunea; - Flow controlled - TCP regularizează fluxul de date prin conexiune pentru a preveni, printre altele, congestia internă a TCP, care ar duce la degradarea sau eşecul serviciilor oferite; - Error checked - TCP livrează datele lipsite de erori, garantând că datele sunt lipsite de erori în măsura în care se poate garanta acest lucru bazându-se pe o sumă de control. 2. Formatul headerului TCP Headerul TCP este relativ mare, structura sa fiind prezentată în figura 11. Figura 11. Headerul TCP. În continuare este prezentată semnificaţia fiecărui câmp al headerului TCP: Source Port (Portul sursă) Abreviere: SRC PORT Lungimea câmpului: 16 biţi

115 În principiu, acest câmp conţine o adresă care identifică un proces sau un serviciu în cadrul hostului sursă. Portul sursă nu face parte din adresa IP; totuşi, combinaţia dintre adresa IP şi numărul portului identifică în mod unic ceea ce se cheamă un soclu (socket) sau punct de acces într-un proces dat. Destination Port (Portul destinaţie) Abreviere: DEST PORT Lungimea câmpului: 16 biţi Acesta este un câmp care identifică procesul sau serviciul în cardul calculatorului gazdă receptor. Câmpurile Source Port şi Destination Port sunt sub controlul calculatoarelor gazdă. Fiecare host poate să decidă pentru sine cum să aloce porturile. Sequence Number (Număr în cadrul secvenţei) Abreviere: SEQ Lungimea câmpului: 32 biţi Unitate: octeţi Gamă: Această valoare reprezintă poziţia în cadrul secvenţei de octeţi a primului octet al unui segment. Totuşi, dacă este prezent un SYN, atunci valoarea acestui câmp reprezintă prima poziţie în cadrul secvenţei (Initial Sequence Number - ISN) pentru acea conexiune; primul octet de date este numerotat ISN+1. Câmpurile Sequence Number şi Acknowledgement au ambele lungimea de 32 biţi, permiţând astfel specificarea unui spaţiu de secvenţiere foarte mare. (La o rată de transfer al datelor de 1000 octeţi pe secundă, ar fi necesare aproximativ 50 de zile pentru a fi necesară reluarea numerotării cu numărul în cadrul secvenţei zero. Dată fiind durata maximă de viaţă a unui pachet secunde - nu este posibil ca un pachet vechi să aibă acelaşi număr de secvenţă ca şi unul nou şi să pară că ar fi un pachet duplicat sau să fie recepţionat în locul unui pachet care nu a fost livrat din cauza unor erori). Acknowledgement Number (Număr de confirmare) Abreviere: ACK Lungimea câmpului: 32 biţi Unitate: octeţi Gamă:

116 Dacă este setat bitul de control ACK, acest câmp conţine valoarea numărului de secvenţă al următorului octet pe care receptorul se aşteaptă să-l primească. Data Offset (Deplasamentul datelor) Lungimea câmpului: 4 biţi Unitate: 32 biţi Gamă: 5 15, implicit 5 Acest câmp indică numărul de cuvinte de 32 de biţi conţinute în cadrul headerului TCP. Folosind această valoare, poate fi calculat deplasamentul datelor în cadrul pachetului. Această informaţie este necesară datorită lungimii variabile a câmpului Options. Headerul TCP, chiar dacă include un câmp Options, are o lungime care este un multiplu de 32 biţi. Reserved (Rezervat) Lungimea câmpului: 6 biţi Acest câmp este rezervat pentru extensii ulterioare. Trebuie să aibă toţi biţii zero. Control Flags (Indicatori de control) Lungimea câmpului: 6 biţi Acest câmp conţine un număr de indicatori de câte un bit fiecare, folosiţi pentru stabilirea, terminarea şi menţinerea unei conexiuni: - URG - Urgent Pointer. URG=1 indică faptul că este folosit câmpul Urgent Pointer pentru a localiza date urgente, prin intermediul unui offset exprimat în octeţi faţă de numărul de secvenţă curent. Acest pointer poate fi necesar în cazul apariţiei unei întreruperi. Dacă indicatorul URG nu este setat, atunci câmpul Urgent Pointer trebuie ignorat. - SYN - Este folosit pentru a stabili o conexiune. SYN=1 semnifică cererea de stabilire a unei conexiuni. - ACK Indică faptul că are semnificaţie câmpul Acknowlwdgement. - RST - Poate reseta o conexiune în cazul apariţiei unor pachete întârziate cu bitul SYN setat, în cazul căderii calculatorului gazdă sau în alte cazuri. RST=1 înseamnă că trebuie resetată conexiunea. - PSH - PSH=1 transmite TCP-ului receptor să transmită imediat datele din cadrul segmentului către ULP receptor. Acest bit poate fi folosit pentru a indica faptul că nu vor apărea date de la ULP sursă imediat. - FIN - Este folosit pentru a termina o conexiune. FIN=1 înseamnă că sursa nu va mai transmite date către ULP receptor

117 Window (Fereastră) Abreviere: WNDW Lungimea câmpului: 16 biţi Unitate: octeţi Gamă: Această valoare reprezintă numărul octeţilor de date, începând cu cel indicat în cadrul câmpului Acknowledgement, pe care hostul sursă este dispus sâ îi accepte. Window este parametrul care permite controlul fluxului în cadrul TCP. Window este un câmp relativ lung deoarece numără octeţii care vor putea fi recepţionaţi după octetul confirmat, în loc să numere pachetele care ar putea fi trimise (cum se face în cazul SPP- XNS). Checksum (Sumă de control) Lungimea câmpului: 16 biţi Acest câmp se aplică tuturor cuvintelor de 16 biţi din cadrul headerului şi datelor. El de asemenea acoperă un pseudo-header de 96 biţi care conceptual precede headerul TCP. Acest pseudoheader conţine adresa sursei, adresa destinaţiei, identificatorul de protocol şi lungimea segmentului TCP. Checksum conţine complementul faţă de 1 al sumei complementelor faţă de 1 ale tuturor cuvintelor de 16 biţi din header şi din cadrul câmpului de date. Urgent Pointer (Pointer urgent) Abreviere: URGPTR Lungimea câmpului: 16 biţi Unitate: octeţi Gamă: Acest câmp specifică ultimul octet de date urgente. Valoarea câmpului este un deplasament pozitiv faţă de numărul de secvenţă în cadrul segmentului. Adunând URGPTR la SEQ se poate afla numărul din cadrul secvenţei al ultimului octet de date urgent. Acest câmp are semnificaţie doar dacă este setat bitul de control URG. Options (Opţiuni) Abreviere: OPT Lungimea câmpului: variabilă

118 Dacă este prezent, acest câmp ocupă spaţiu la sfârşitul headerului TCP. Toate opţiunile sunt incluse în Checksum. Orice opţiune ocupă un număr întreg de octeţi. Options este rezervat pentru diferite lucruri. Singura opţiune oficială interesantă definită până în prezent comunică lungimea maximă a unui segment şi este trimisă în timpul stabilirii conexiunii. 3. Gestionarea conexiunilor Principala funcţiune a TCP este să ofere conexiuni de date (canale de comunicaţie) între perechi de ULP-uri. Gestionarea conexiunilor poate fi împărţită în trei faze: stabilirea conexiunii, menţinerea conexiunii şi terminarea conexiunii. Conexiunile sunt dotate cu câteva proprietăţi care se aplică pe toată perioada existenţei conexiunii, incluzând nivelele de precedenţă şi de securitate. Aceste proprietăţi sunt specificate de către ULP la deschiderea conexiunii. TCP oferă mijloacele necesare pentru ca ULP să poată intra în conexiune cu alte ULP în mod unic adresate printr-un nume de soclu (socket). Un socket este de fapt concatenarea unei adrese de IP (care se găseşte în headerul IP) cu numărul de port al aplicaţiei (din headerul TCP). O conexiune este definită ca o cobinaţie a numerelor de socket ale celor doi participanţi la conexiune. TCP stabileşte în mod activ o conexiune pentru un ULP dacă: - nu există deja o conexiune între cele două socluri; - există suficiente resurse interne TCP disponibile; - celălalt ULP (pereche) a executat simultan o deschidere activă de conexiune potrivită sau a executat anterior o deschidere de conexiune globală, nespecificată (deschidere pasivă). O deschidere activă se mai numeşte uneori chemare, iar o deschidere pasivă se mai numeşte ascultare. TCP oferă mijloace pentru ULP să asculte pasiv şi să răspundă la chemări din partea unor ULP corespunzătoare. Un ULP poate fi interesat de chemări din partea unui anumit corespondent sau din partea oricărui corespondent îndepărtat. Deci, un ULP are două posibilităţi de a executa o deschidere pasivă de conexiune: - în totalitate specificată - un ULP care execută o chemare este în mod unic determinat de către un soclu. O conexiune va fi acceptată doar dacă se constată apariţia unei chemări din partea unui soclu îndepărtat specific; - nespecificată - nu este specificat nici un soclu din partea căruia să fie acceptată o cerere de deschidere activă a unei conexiuni. Se va stabili o conexiune cu orice ULP îndepărtat care execută o operaţie de deschidere activă potrivită care identifică acest ULP. Odată ce s-a stabilit o conexiune, TCP o va menţine cât timp ambele părţi rămân interesate să o menţină activă. Conexiunile care sunt stabilite dar nu generează în mod activ date care să fie schimbate între cele două ULP, nu generează nici un pachet. Aceasta nu este o problemă, dar este interesant faptul că TCP nu oferă un mecanism care să detecteze pierderea unui partener de conexiune atunci când nu se schimbă date între parteneri. Dar, deoarece pentru unele aplicaţii o

119 asemenea informaţie este de folos, unele implementări TCP folosesc un truc pentru a realiza această detecţie: se trimit datagrame care nu conţin date şi cu număr de secvenţă incorect. TCP specifică faptul că recipientul trebuie să răspundă cu o datagramă conţinând numărul de secvenţă corect. Dacă nu se recepţionează nici un răspuns, TCP care verifică existanţa conexiunii poate să decidă că perechea sa a dispărut. Conexiunile stabilite pot fi terminate în unul dintre următoarele moduri: 1 Graceful Close (închidere cu succes) - Ambele ULP închid partea conexiunii duplex, simultan sau secvenţial, atunci când transferul de date s-a terminat cu succes. TCP coordonează terminarea conexiunii şi evită pierderea datelor în tranzit. 2 Abort - Atunci când un ULP forţează unilateral închiderea conexiunii, TCP nu coordonează această terminare. Datele în tranzit pot să se piardă. TCP îşi construieşte serviciile pe serviciile potenţial nesigure ale nivelului reţea, cu mecanisme ca: detecţie de erori, confirmări, numere de secvenţă şi controlul fluxului de date. Aceste mecanisme cer ca informaţiile de adresare şi de control să fie iniţializate şi menţinute pe toată durata transferului, aşa cum se va arăta în continuare. 4. Confirmarea TCP foloseşte un mecanism numit confirmare pozitivă cu retransmisie (Positive Acknowledgement with Retransmission - PAR) pentru a recupera erorile provenite din pierderea datelor la nivelele inferioare. PAR permite protocolului TCP al unui host sursă să retransmită datele din timp în timp, până când este primită confirmarea pozitivă. Pentru a evita retransmisiile care nu sunt necesare şi întârzierile excesive de retransmisie, TCP ajustează dinamic valoarea timeoutului pentru a estima timpul pe care îl necesită trimiterea pachetului, primirea confirmării şi procesările interne în cadrul modulelor TCP pereche. O sumă de control simplă detectează segmentele deteriorate în tranzit şi ele sunt aruncate fără confirmare. Deci, PAR tratează segmentele cu erori ca pe nişte segmente pierdute şi compensează pierderea lor. Marea varietate de reţele suportate de TCP (Ethernet, reţele prin satelit, reţele întinse terestre) diferă în mare măsură din punct de vedere al ratei de transfer al datelor, întârzieri etc. TCP specifică tehnici adaptive pentru tratarea întârzierilor astfel încât să nu se retransmită un pachet prea des sau prea rar. TCP specifică un algoritm de generare exponenţială a întârzierilor, similar celui din cazul Ethernet. Numerele de secvenţă folosite de TCP extind mecanismul PAR prin faptul că se permite ca o singură confirmare să acopere toate datele recepţionate anterior. Astfel, un TCP sursă poate să transmită date noi în intervalul de timp în care aşteaptă confirmarea primirii datelor vechi. Confirmarea se referă la toate datele anterioare, nu numai la un segment de date recent. Astfel, receptoarele pot să ia decizia de a nu trimite confirmări în cazul primirii fiecărui pachet, ci doar din când în când (pentru mai multe pachete odată)

120 5. Controlul fluxului de date Mecanismul de control al fluxului de date implementat de TCP permite unui TCP destinaţie să controleze datele expediate de un TCP sursă. Mecanismul este bazat pe implementarea unei ferestre care defineşte o gamă continuă de numere de secvenţă acceptabile. Pe măsură ce noi date sunt acceptate, TCP mută fereastra în sus în spaţiul numerelor de secvenţă. Fereastra este specificată în cadrul fiecărui segment şi permite TCP să menţină informaţii actuale. Există un mecanism recomandat pentru a nu permite apariţia "sindromului de ferestre prostuţe" (Silly Window Syndrome), sindrom care ar putea să ducă la supraîncărcarea modululelor TCP şi chiar la epuizarea resurselor lor. Acest sindrom este rezultatul trimiterii cu o rată prea mare a unor informaţii privind modificările ferestrelor, fapt care poate duce la transmiterea de către TCP sursă de multe datagrame de dimensiuni mici în locul câtorva mai mari. 6. Multiplexarea Mecanismul de multiplexare al TCP permite asigurarea de servicii de către un singur TCP pentru mai multe ULP şi mai multe procese din cadrul aceluiaşi host. De asemenea, este permis mai multor procese din cadrul aceluiaşi ULP să folosească TCP simultan. Mecanismul asignează identificatori, numiţi porturi, fiecărui proces care cere servicii TCP. O conexiune TCP este legată în mod univoc de un soclu (concatenarea numărului portului cu adresa IP). Conexiunea este determinată în mod unic de o pereche de socluri (sursă şi destinaţie). Această schemă de identificare permite unui singur ULP să aibă conexiuni TCP cu mai multe ULP îndepărtate. De asemenea este permis ca un set de procese să aibă conexiuni multiple (orice pereche de procese poate avea o conexiune TCP). Acele ULP care permit conexiuni pentru resurse populare sunt asignate permanent, fiind numite porturi bine-cunoscute. 7. Sincronizarea Două ULP care doresc să comunice, dau instrucţiuni TCP-urilor respective să iniţieze şi să sincronizeze informaţiile cerute pentru stabilirea unui circuit virtual. Deoarece nivelele inferioare, nedemne de încredere, pot să livreze date provenind din conexiuni mai vechi, stabilirea conexiunii se realizează pe baza unui mecanism handshaking bazat pe numere de secvenţă care au la bază timpul curent. Acest mecanism reduce posibilitatea ca primirea de pachete întârziate să pară pachete valide în cadrul conexiunii curente. Folosind un mecanism handshaking foarte simplu, cele două TCP se sincronizează în trei paşi (figura 12)

121 Figura 12. Handshaking în trei paşi 8. Rendezvous Un ULP are două posibilităţi pentru a deschide o conexiune în două moduri: activ sau pasiv. O conexiune se deschide activ atunci când un ULP dă instrucţiuni TCP să iniţieze un protocol handshaking pentru a se conecta la un alt ULP. Pentru a se realiza o conexiune pasivă, se indică TCP să aştepte o tentativă de deschidere a unei conexiuni din partea unui alt TCP. Această facilitate este utilă pentru aplicaţiile orientate pe servere. Un program de gestiune de la distanţă a unei baze de date, de exemplu, poate să aştepte pasiv deschiderea unei conexiuni de către utilizatori aflaţi la staţii în reţea. Mecanismul handhske în trei paşi de asemenea coordonează activităţile necesare în cazul apariţiei unor tentative de deschidere activă a unei conexiuni între două TCP pereche. 9. Indicatorul PUSH Folosirea indicatorului PUSH este o altă parte a funcţiei de segmentare. TCP grupează în mod normal datele pentru transmisie într-o manieră transparentă, după bunul său plac. Totuşi, folosind un push, un ULP poate să indice TCP să trimită datele primite fără a aştepta să mai primească şi alte date pentru transmisie. De exemplu, un ULP care deserveşte terminale la distanţă, poate să dorească să trimită datele către terminale câte o linie odată. În acest scop, sunt necesare două mecanisme. Întâi, ULP sursă trebuie să aibă implementat un mecanism specific implementării pentru a indica TCP-ului local să transmită datele, iar apoi TCP sursă trebuie să fie capabil să indice TCP receptor să livreze datele. Indicatorul PUSH este folosit pentru acest al doilea scop

122 10. User Datagram Protocol (UDP) UDP oferă servicii de transport de încărcare redusă pentru a permite ULP să transfere datagrame între ele. Ca şi TCP, UDP foloseşte câmpuri port pentru a specifica procesul sursă şi destinaţie al fiecărei tranzacţii. Se poate folosi, opţional, şi o sumă de control. Numerele porturilor TCP şi UDP folosesc ambele numere de porturi, pentru a distinge participanţii la diferite schimburi de date. Deoarece identificatorul de protocol (câmpul de 16 biţi PROT din cadrul headerului IP) este evaluat înaintea valorii numărului de port, TCP şi UDP folosesc valori independente de câte 16 biţi pentru a identifica porturile. Deci, acelaşi număr de port poate identifica două porturi diferite: unul pentru TCP şi altul pentru UDP. Mai mult, selecţia numerelor de porturi este restricţionată. Valorile între 0 şi 255 sunt rezervate pentru asignare de către DoD; aceste 256 porturi sunt cunoscute sub numele de Well-Known Ports (porturi bine-cunoscute). Un subset al acestor porturi este prezentat în tabelul 8. Orice program care foloseşte un Well-Known Port trebuie să se conformeze protocolului specificat de la nivelele superioare. Trebuie notat că se încearcă să se coordoneze asignarea acestor porturi bine cunoscute între TCP şi UDP. Numărul portului Abreviere Descriere 7 Echo Echo 9 Discard Discard 13 Daytime Daytime 15 Netstat Who is up? 17 Quote Quote of the day 20 FTP-Data File Transfer (Default Data) 21 FTP File Transfer (Control) 23 Telnet Telnet 25 SMTP Simple Mail Transfer Protocol 37 Time Time of Day 39 RLP Resource Location Protocol 42 Nameserver Host Name Server

123 46 MPM-Snd MPM (Default send) 53 Domain Domain Name Server 67 BootPS Bootstrap Protocol Server 68 BootPC Bootstrap Protocol Client 69 TFTP Trivial File Transfer 79 Finger Who is on System 101 Hostname NIC Host Name Server 102 ISO-TSAP ISO-TSAP 103 X400 X X400-SND X400-SND 105 CSNET-NS CSNet Name Server 109 POP-2 Post Office Protocol, Version AUTH Authentication Server 115 SFTP Simple File Transfer Protocol 119 NNTGP Network News Trans. Protocol 123 NTP Network Time Protocol 129 PWDGEN Password Generator Protocol Tabelul 8. Numere de porturi asignate în headerele TCP şi UDP Multe sisteme de operare includ aceste numere de porturi într-un set de porturi protejate. Ele pot să fie accesate doar de procese care au privilegii speciale, la nivel de sistem de operare. Numerele de porturi rămase, numite numere de porturi efemere (Ephemeral Port Numbers), pot să fie folosite de orice proces

124 Capitolul II.06. Retele de mare viteză Cuvinte-cheie fibră optică, media convertor, ATM, DBS, II Proiectarea sistemelor pe fibră optică. Primul pas în proiectarea unui sistem pe fibre optice constă în luarea deciziilor privind parametrii de operare ce se vor aplica pentru fiecare componentă. Chestiunile principale, prezentate în tabelul I.1, implică debitul de date şi rata erorii pe bit în sistemele digitale, lăţime de bandă, liniaritate şi raporturi semnal/zgomot în sistemele analogice şi pentru toate sistemele, distanţele de transmisie. Aceste întrebări, cât de departe, cât de bun şi cât de rapid, definesc constrângerile de bază ale aplicaţiei. IDP (Integrated Detector/Preamplifier) este un detector ce conţine o fotodiodă PIN şi un amplificator transimpedanţă; acesta din urmă se foloseşte imediat după fotodetector din considerente de zgomot redus şi bandă largă. Toate aceste consideraţii sunt inter-relaţionate dar distanţa de transmisie este consideraţia predominantă. Distanţa de transmisie afectează puterea la ieşirea emiţătorului ce va dicta astfel tipul de sursă de lumină utilizat. Are influenţă asupra tipului de fibră, cele single-mode (monomod) fiind mai potrivite pentru transmisia pe distanţe lungi. Emiţătorul şi tipul de fibră dictează tipul de receptor şi sensibilitatea. Tot distanţa de transmisie va influenţa alegerea schemei de modulaţie. Factorul de sistem Distanţa de transmisie Tipuri de fibre optice Dispersia Neliniarităţile fibrei Lungimea de undă de lucru Puterea emiţătorului Tipul sursei Sensibilitatea receptorului/ Caracteristici la suprasarcină Tipul detectorului Codul de modulaţie Rata erorii pe bit (doar sistemele digitale) Raport semnal/zgomot Număr de conectori sau suduri în sistem Consideraţii/alegeri Complexitatea sistemului creşte cu distanţa de transmisie Single-mod sau Multimod Încorporează regenerator de semnale sau Compensarea dispersiei Caracteristicile fibrei, Lungime de undă, Puterea emiţătorului Tipic 780, 850, 1310, 1550, şi 1625 nm Tipic exprimată în dbm LED sau Laser Tipic exprimate în dbm PIN, APD, sau IDP AM, FM, PCM sau Digital Tipic 10-9, Specificat în db Pierderile de semnal cresc cu numărul de conectori sau susuri

125 Cerinţe de mediu ambiant şi limitări Cerinţe mecanice Umiditate, temperatură, expunere la lumina directă a Soarelui Inflamabil, Aplicaţie de interior/exterior Tabelul I.1. Consideraţii despre proiectarea sistemelor Proiectarea unui sistem poate părea complexă dar câteva tehnici vin să simplifice acest proces. O asemenea tehnică este de a determina bugetul de pierderi pe legătura optică, ceea ce presupune evaluarea puterii de la ieşirea emiţătorului, lungimea de undă cu care se operează, atenuarea fibrei, lăţimea de bandă şi sensibilitatea receptorului optic. O altă tehnică determină bugetul de timpi de creştere de-a lungul legăturii, care descrie abilitatea dispozitivelor de transmisie de a se deschide şi închide suficient de repede. O analiză de sensibilitate determină puterea optică minimă ce trebuie recepţionată pentru a obţine o anumită performanţă pentru sistem. Sensibilitatea receptorului poate fi afectată de intensitatea zgomotului sursei, inerent sursei de lumină ce este folosită, zgomotul fibrei, zgomotul receptorului, jitter-ul, interferenţa intersimbol şi rata erorii pe bit. Mediul de lucru trebuie luat şi el în considerare. Temperatura afectează performanţele LED-urilor şi laserilor ca şi pe cele ale fibrei. Instalaţiile din clădiri uneori necesită testări pentru siguranţă la foc, radiaţii electromagnetice sau alt parametru specific ambianţei. Anumite medii prezintă mai multă nesiguranţă pentru sistemele pe fibre decât altele, lucru ce va influenţa alegerea tipului de cablu. Costul unui sistem de transmisie pe fibră optică poate fi de asemenea o consideraţie critică. Alegerea componentelor cum ar fi tipul emiţătorului de lumină, lungimea de undă a emiţătorului, tipul conectorului tipul fibrei şi tipul detectorului vor avea impact asupra costului dar şi asupra performanţei sistemului. Bunul simţ conduce la un sistem cu cel mai bun cost astfel încât să întrunească şi cerinţele aplicaţiei. Performanţa în exces conduce adesea la costuri ale sistemului prea mari pentru aplicaţia cerută. Odată ce aţi determinat cerinţele de bază ale sistemului şi necesitatea fibrei optice, veţi avea de răspuns la următoarele întrebări: 1. Care sunt pierderile în fibră ale sistemului? Acestea nu reprezintă acelaşi lucru cu pierderile optice (conectori, suduri, dispozitive, etc); ele se referă la produsul lăţime de bandă x distanţă, care descrie cât de mare este atenuarea optică pe o anumită lungime de fibră. Pierderea în fibră va determina cerinţele pentru ieşirea emiţătorului optic şi/sau includerea regeneratoarelor pe calea de fibră. 2. Ce lungime de undă să aleg pentru transmiţător: 1310 sau 1550 nm? Depinde de aplicaţie şi de pierderile pe legătură are pierderi mai mici (0,25 db/km) decât 1310 (0,35 db/km). În mod normal, 1550 este folosit pentru aplicaţii cu distanţe mari, în special datorită disponibilităţii amplificatoarelor optice

126 3. Ce tip de semnale vreţi să fie transmise? Aici includem semnale video, semnale audio, semnale de date şi astfel vom şti dacă semnalul va fi digital sau analog. 4. Ce tip de fibră va fi folosit? Aşa cum avem prezentat şi în tabelul anterior, alegerile sunt multimod sau single-mod. Distanţa de transmisie, tipul de semnal şi aplicaţia vor pre-determina cel mai potrivit tip de fibră. Distanţele mari, vitezele mari sau transmisia multicanal cer fibră monomod, în timp ce distanţele mici, vitezele scăzute şi transmisia unicanal vor permite folosirea fibrelor multimod, mult mai ieftine. 5. Ce conectori optici vor fi folosiţi? Ca şi la tipurile de fibre, diferite sisteme vor avea cerinţe diferite. Conectorii pot fi specificaţi pentru a reduce reflexiile înapoi, o uşurinţă mai mare în instalare, număr de dispozitive cât mai mic sau interfaţare cu conectorii dintr-un sistem deja existent. 6. Ce calitate este aşteptată la capătul de recepţie? Aceasta se referă la calitatea video. 7. Ce configurare necesită sistemul? Aceasta se referă în general la topologia sistemului, care poate fi punct la punct, inel, etc. 8. Care este puterea maximă ce poate injecta în fibră? Limita teoretică este 17 dbm. Dincolo de ea, reflexiile înspre sursă, cunoscute şi ca împrăştiere stimulată Brillouin, încep să apară. Aceasta poate degrada raportul semnal/zgomot şi cauza distorsiuni. Mai trebuie cunoscut faptul că este o relaţie de 1:2 între lumină şi RF (între puterea luminoasă şi puterea de RF recepţionată). Pentru fiecare modificare de 1 db în lumină, va fi o corespondenţă de 2 db modificare în puterea de RF recepţionată. Deci 1 db mai multă lumină va determina 2 db mai mult RF. În zilele noastre sistemele de transmisie de mare viteză pe fibre optice lucrează la debite binare standard (tabelul I.2). Standard SONET Standard SDH Debit binar OC1-51,84 Mbps OC3 STM 1 155,52 Mbps OC12 STM 1 622,08 Mbps OC48 STM 1 2,4883 Gbps OC192 STM 1 9,9533 Gbps Tabelul I.2. Debitele binare standard de lucru pe F.O. II Proiectarea unui sistem CATV analogic/digital pe fibre optice. Sistemele analogice AM pe fibre optice au început să înlocuiască vechiul cablu coaxial pentru distribuţia locală în cadrul unei reţele CATV, în timp ce sistemele digitale sunt folosite pentru

127 transmiterea diferitelor servicii de date. În trecut aceste sisteme analogice şi digitale operau pe fibre optice separate. Oricum, odată cu creşterea şi expansiunea acestor sisteme CATV, direcţia actuală în proiectarea sistemelor CATV presupune multiplexarea cu divizarea lungimii de undă pentru a combina ambele tipuri de semnale, analogice şi digitale, pentru transmiterea lor pe aceeaşi fibră. Aceasta permite expansiunea sistemului prin creşterea numărului de semnale transmise pe o fibră deja instalată. Odată cu creşterea acestor sisteme, transmisia pe calea directă încetează să fie singura cale cerută. Sistemele CATV de azi necesită de asemenea o reţea pentru calea de întoarcere pentru a manipula datele din reţeaua Internet via modemurile de cablu. Ne vom focaliza atenţia asupra celor două versiuni de sisteme, pe două fibre şi pe o fibră cu două semnale WDM. Figura I.1. Arhitectură tipică de super-trunchi CATV Fig. I.2. Arhitectură CATV hibridă analog/digitală Înainte de 1980, mai toate sistemele CATV erau bazate pe coaxial dar din prima parte a anilor 80 industria CATV a început să folosească legături AM/VSB (AM cu rest de bandă laterală) pe

128 nm cu modulaţie directă pentru distribuţia super-trunchiurilor. Figura I.1 ilustrează o arhitectură tipică de sistem incluzând un super-trunchi. Prin transportarea semnalelor de înaltă calitate din headend (staţia CATV) acest sistem a redus numărul amplificatoarelor cascadate necesare. De la începutul anilor 90, provider-ii (furnizorii) de CATV au început să folosească sisteme digitale multicanal pentru a transporta un mare număr de canale video necomprimate, calitate broadcast sau digitizate între headend-uri. Operând încă în fereastra de 1310 nm în această configuraţie, un headend separat ce apărea înainte a fost înlocuit cu semnale de foarte bună calitate ce sunt transportate de un sistem digital multicanal de la un master headend. Această configuraţie este ilustrată în figura I.2. Apariţia emiţătoarelor pe 1550 nm modulate extern VSB/AM de mare performanţă şi amplificatoarelor pe fibre optice dopate cu erbiu (EDFA) au schimbat arhitectura sistemelor CATV încă o dată. Aceste legături pe 1550 nm sunt folosite pentru a transporta semnale între locaţiile de headend-uri aflate la distanţe mari, folosind EDFA ca amplificatoare de linie. Fig. I.3. Arhitectură CATV hibridă 1310nm/1550nm VSB/AM (MA-BLU) Ilustrat în figura I.3, acest sistem încorporează de asemenea splitere optice în plus faţă de EDFA. În această configuraţie, emiţătorul este considerat ca având două ieşiri, o caracteristică obişnuită pentru aceste noi tipuri de transmiţătoare. Prima ieşire optică a emiţătorului pe 1550 nm alimentează un al doilea headend ce are un emiţător pe 1310 nm. A doua ieşire optică merge la un spliter 1x2. Ieşirea numărul 1 se duce direct la un receptor de 1550 nm pentru distribuţie de la headend-ul principal la un emiţător pe 1310 nm. Ieşirea numărul 2 a spliterului optic va alimenta un EDFA. Semnalul este amplificat optic şi trecut mai departe unui receptor optic ce alimentează un al treilea headend aflat la mulţi kilometri depărtare. Primele trei arhitecturi nu folosesc nicio componentă WDM şi reprezintă cazuri de arhitecturi complet analogice. Odată cu creşterea sistemelor CATV, la fel a crescut şi nevoia de a maximiza capacitatea de transmisie a fiecărei fibre. Multiplexarea cu diviziunea lungimii de undă permite

129 semnalelor analogice şi digitale să coexiste pe o aceeaşi fibră. Figura I.4 ilustrează un sistem de transport unidirecţional cu WDM de tip combinat, adică AM CATV/digital. Fig I.4. Transport unidirecţional CATV analog/digital WDM În configuraţia de mai sus, semnalele de la transmiţătorul de CATV AM pe 1310 nm şi de la transmiţătorul digital pe 1550 nm sunt multiplexate prin divizarea lungimii de undă pe aceeaşi fibră. La recepţie, semnalele sunt demultiplexate şi îndrumate spre receptoarele potrivite. În ideea de a menţine calitatea sistemului, WDM-ul trebuie să aibă o izolare foarte bună care să prevină interferenţa între semnalul analog pe 1310 nm şi semnalul digital pe 1550 nm. O configuraţie bidirecţională a unui astfel de sistem de transport CATV analog/digital este prezentat în figura I.5. Fig I.5. Transport bidirecţional CATV analog/digital WDN Din punct de vedere al headend-ului, un sistem bidirecţional arată ca în figura I

130 Fig. I.6. Reţea hibridă Iar o reţea completă se poate reprezenta simplificat şi ca în figura I.7. Fig. I:7.Structura unei reţele HFC pentru CATV Retransmisia semnalelor cu ajutorul hub-urilor ce repetă echipamentul din headend

131 Fig. I.8. Utilizarea unui hub pentru retransmisia semnalelor ce intră/ies dintr-un headend, în cazul distanţelor foarte mari Placa de interfaţă cu reţeaua (NIC) se foloseşte la monitorizarea funcţionării elementelor hardware de la distanţă sau de pe un sistem de calcul local. Emiţătoarele de cale directă (forward transmitters) transportă semnale video analogice sau codate digital cu QAM (modulaţie de amplitudine în cuadratură, un tip de modulaţie combinată de amplitudine şi fază) 16, 64, 256 de la headend la hub-ul de retranslaţie. Emiţătoarele de cale inversă (return transmitters) colectează datele codate QPSK sau QAM de la nodurile optice pentru a le transporta la headend. Ambele tipuri transmit semnale optice cu o lungime de undă conform specificaţiilor ITU. Noduri optice pentru reţele HFC Noduri optice pentru HFC standard cu dublă cale Aceste dispozitive recepţionează semnalul optic de pe o fibră şi îl convertesc în semnal RF, folosind un singur receptor. Apoi modulul amplificator de RF măreşte nivelul semnalului de pe calea directă. Semnalele RF de întoarcere de pe cablul coaxial intră în modulul amplificator prin porturile de intrare/ieşire. După ce semnalele sunt combinate, transmiţătorul de întoarcere (de cale inversă) converteşte semnalul de RF în semnal optic şi îl trimite înapoi în headend la un receptor de cale inversă. Fig. I.9. N.O. pentru HFC dublă cale Nod optic pentru HFC cu dublă cale şi redundanţă Fig. I.10. N.O. cu redundanţă Această variantă se alege atunci când se solicită o foarte bună disponibilitate pentru reţea, ca în cazul telefoniei sau serviciilor digitale interactive. Nodul primeşte semnale optice pe două fibre, una primară şi una redundantă. Două receptoare, unul primar şi unul redundant convertesc semnalele

132 optice în semnale RF. Mai departe acestea sunt aplicate la un comutator ce va trimite numai semnalul primar la modulul amplificator de RF. Dacă apare un defect pe legătura optică primară, comutatorul direcţionează în mod automat semnalul de pe fibra redundantă către modulul de amplificare RF. Similar se petrec lucrurile şi pe calea inversă, selectând de această dată la headend fibra de întoarcere cea mai potrivită. Componentele unui nod optic În figura I.11 se prezintă o schemă generică de nod optic fără redundanţă şi care se foloseşte în reţelele HFC. Se observă pe calea de recepţie o dublă amplificare a semnalului de RF detectat, de unde şi specificaţia în foile de catalog double amplifier. De asemenea un atenuator şi un egalizor pentru nivelele semnalelor de RF, acestea fiind în multe cazuri module plug-in, deci se pot introduce sau extrage foarte uşor din locaţiile lor special destinate. Tot plug-in este şi modulul emiţător pentru calea inversă, care la fel de bine poate lipsi dacă nu este necesar şi viceversa, se poate insera foarte uşor la nevoie. În schemă mai apare şi un filtru diplex. Acesta este prezentat separat în figura I.12. Fig. I.11. Scheme bloc a unui nod optic pentru cazul unei singure intrări optice şi o singură ieşire de RF Fig. I:12. Filtru diplex

133 Filtrele diplex sau diplexoare sunt folosite în nodurile optice ale unei reţele HFC sau alte aplicaţii pentru a realiza separarea căii directe de cea inversă, după cum se observă foarte bine din imaginea din figura I.12, unde s-a reprezentat un diplex aşa cum este el simbolizat în scheme. Constructiv, este o intercalare între două filtre: trece sus şi trece jos. Fizic, el poate fi integrat printre componentele plăcii de bază a nodului sau poate apărea ca un modul separat ce se poate introduce/extrage în/din slotul special destinat. Există 2 tipuri mai des întâlnite de filtre diplex, în funcţie de standardul adoptat pentru transmisia combinată de semnale TV şi date şi anume: 5-42/ (standardul american DOCSIS Data over cable system interface specifications) şi 5-65/ (EuroDOCSIS varianta europeană). Luând ca exemplu varianta a doua, europeană, semnificaţia acestor cifre este următoarea: pentru semnalele din banda MHz se permite trecerea pe calea directă, de la headend către client, iar pentru cele din intervalul 5-65 Mhz se admite trecerea lor prin filtru numai în sensul de la client către headend. În acest fel devine posibilă comunicarea bidirecţională între headend şi echipamentul montat la client. Mai există şi notaţia 65/85 sau 42/54, presupunându-se cunoscute limita inferioară a benzii pentru calea inversă şi limita superioară pentru calea directă. În afara celor două variante, a mai existat şi o alta, adoptată în unele ţări, anume 5-30/45-870, dar treptat, datorită cererii crescânde de servicii de date, s-a renunţat la aceasta. Nod optic pentru aplicaţii FTTH (Fibre-To-The Home) Fig. I.13. Nod optic cu WDM integrat pentru a opera pe o singură fibră monomod. Un adaptor extern de telefonie VoIP este disponibilă ca opţiune a clientului Această variantă de nod optic (figura I.13) foloseşte o singură fibră pentru transportul semnalelor atât de pe calea directă (de la headend la client) cât şi de pe calea inversă (de la client la headend). Astfel de modele se pot monta fie pentru o zonă de locuinţe, caz în care avem situaţia denumită FTTC (Fiber-To-The Curb), fie chiar la locuinţa clientului pentru o calitate maximă a serviciilor,

134 cazul cunoscut sub denumirea FTTH (Fiber-To-The-Home), deci fibra, cu toate atuurile ei, adusă la uşa clientului. Este compus din două secţiuni: - receptor de bandă largă ce operează la o anumită lungime de undă, de obicei 1550 nm; - transceiver Ethernet ce operează la 1310 nm; în acest fel este necesară doar o singură fibră pentru transmisia bidirecţională. Pentru situaţia în care sunt necesare mai multe porturi Ethernet, se poate conecta un switch sau hub obişnuit la un astfel de nod optic. Mai trebuie făcută aici observaţia că datorită modularizării componentelor, mare parte din nodurile optice pot fi comandate având doar partea de recepţie montată, urmând ca ulterior să se poată face upgrade la un nod optic complet prin adăugarea unui modul emiţător de cale inversă. II Managementul căii inverse: proiectare şi utilizare. Industria CATV a răspuns la cererea de programe de televiziune interactive, în timp real sau, cum întâlnim în literatură, 2-way, cu tehnologia căii de întoarcere. Managementul căii inverse (de întoarcere) permite celui care vizionează să trimită informaţii de la un transmiţător poziţionat în interiorul set-top-box-ului (STB) din reşedinţa clientului către headend prin atingerea a câteva butoane de pe telecomanda televizorului. Această posibilitate poate avea loc datorită reţelelor HFC (hybrid fiber coax reţea hibridă fibră optică+cablu coaxial) care vin în întâmpinarea cererilor de distanţe mari de transmisie necesare televiziunii pe cablu de azi. Reţelele HFC tipice, ilustrate în figura I.14, folosesc cablu coaxial pentru distanţele de transmisie mai scurte dintre echipamentul video şi transmiţător sau dintre receptor şi televizorul clientului, în timp ce calea dintre transmiţător şi receptor foloseşte fibră monomod pentru extinderea distanţelor de transmisie. Chiar şi în aplicaţiile pe distanţe limitate, această combinaţie permite proiectantului să folosească cea mai ieftină soluţie pentru fiecare porţiune a reţelei. În reţelele HFC cu cale de întoarcere, ilustrate în figura I.15, se aplică acelaşi principiu de proiectare a sistemului, dar acum avem o transmisie bidirecţională între locaţia clientului şi headend, permiţând un management interactiv al căii inverse. Semnalele de la headend sunt transportate pe o fibră optică SM (monomod), folosind fie transmiţătoare DFB (distributed feedback laser), fie FP (Fabry Perot), pe 1310 nm sau 1550 nm. Receptorul conţine un laser pentru calea inversă care trimite semnalele de la utilizator înapoi la headend. În mod curent, tehnologiile de multiplexare cu divizarea lungimii de undă, ca DWDM sau CWDM, cresc distanţa de transmisie şi fiabilitatea sistemului

135 Fig. I.14. Reţea HFC tipică Fig. I.15. Reţea HFC cu cale de întoarcere Interactivitatea cu ajutorul căii inverse Managementul căii inverse suportă următoarele schimburi interactive: - Tranzacţii de plată sau comenzi: aceste comenzi ar putea consta într-un film pay-per-view (plata se face pentru fiecare film în parte), cumpărături dintr-o reţea de livrări la domiciliu sau de la orice magazin ce este disponibil utilizatorului pe canalele de TV; - Obţinerea datelor dintr-o bază de date centralizată: această acţiune se referă la informaţii meteo locale, ghiduri de TV şi selecţia filmelor pay-per-view ; - Răspunsuri pentru campaniile de cercetare a pieţei: utilizatorul îşi poate exprima părerea în cadrul a tot felul de scrutinuri; - Jocuri: utilizatorul poate participa la jocuri ce au legătură cu show-urile televizate; - Îmbunătăţirea programelor: utilizatorul poate obţine mai multe informaţii despre un subiect din programul de televiziune. Această interactivitate se aplică în mod special la documentare cu privire la natură, istorie, tehnologie; - Rapoarte financiare despre ceea ce interesează clientul; - şi chat;

136 - Canale de sport interactive: permite utilizatorului să privească la două meciuri simultan, să aleagă unghiul camerei de luat vederi, să obţină statistici despre meciuri, update de scoruri; - Servicii de informaţii: se pot obţine informaţii despre călătorii, sporturi sau educaţie. Aceste canale pot fi folosite pentru a promova oferte de vacanţă şi evenimente sportive. - Alegeri muzicale: se poate selecta un canal ce emite muzică de un anumit gen. Aceste canale pot fi gratuite, cu plată per timp de ascultare sau pay channel. De asemenea sunt incluse în aceste canale informaţii despre artist, album şi uneori cum se poate cumpăra acel album. Managementul semnalului pe calea de întoarcere Semnalul de pe calea inversă, care de obicei ocupă o bandă în intervalul 5-42 MHz îşi are originea în reşedinţa clientului şi curge prin reţeaua de fibră către headend. Nivelul semnalului în reţea este determinat de nivelul de RF produs de către transmiţătorul conţinut de STB, PC card sau modem de cablu. Totuşi, când semnalul iese în afara locuinţei clientului, el va suferi pierderi în cabluri, splitere şi alte dispozitive ale reţelei de RF înainte de a ajunge la un amplificator. Mai departe, fiecare bucăţică are pierderi diferite, dar toate semnalele ce provin de la reşedinţele clienţilor ar trebui să sosească la amplificator la acelaşi nivel. Proiectarea căii inverse presupune determinarea nivelelor de semnal de pe acest traseu. Semnalul care iese din amplificator va fi astfel încât câştigul pe calea inversă al fiecărei staţii de amplificare va fi echivalent cu pierderile de pe lungimea de cablu imediat următor. Când semnalul ajunge la nodul optic, el este apoi transportat pe fibra optică la headend. O dată ajunse aici, semnalele sunt convertite în RF de receptorul optic de cale inversă şi trimise la demodulatorul special desemnat pentru serviciul cerut de utilizator. Căi de întoarcere cu WDM şi digitale Căi de întoarcere multiplexate Odată cu extinderea reţelelor ce folosesc scheme cu cale de întoarcere, posibilitatea de a transmite în siguranţă date de mare viteză în banda de la 5 la 42 MHz devine mai dificilă. În zilele noastre, upgrade-urile la reţelele HFC se bazează pe DWDM. Aceste upgrade-uri, ca peste tot în industria fibrei optice, sunt determinate de cererea pentru mai multă lăţime de bandă şi o transmisie mai bună şi mai fiabilă

137 Fig. I.16. HCF folosind DWDM Schema de transmisie din figura I.16 lucrează având un emiţător laser DFB sau FP ce operează fie pe 1310 nm, fie pe 1550 nm, la nodul optic pentru a transmite datele la un hub secundar. Aici datele modulează direct un emiţător laser DWDM folosind multiplexarea cu divizare în timp (TDM). Semnalul optic, folosind un multiplexor DWDM 1x4, este transmis pe fibra SM către headend. Aici se demultiplexează semnalul şi se transmite la 4 receptoare. Cale de întoarcere digitală Folosind un convertor analog/digital, o cale de întoarcere analogică se transformă într-o cale de întoarcere digitală. Convertorul A/D operează la 100 MHz cu o rezoluţie de 8-12 biţi. Semnalele digitizate sunt convertite într-un flux serial de biţi, cu o sincronizare adecvată la nod pentru a putea reface semnalul la ieşirea receptorului optic aflat în headend. La nod sau la hub-ul secundar, semnalele pot fi combinate folosind TDM. În mod curent, provider-ii de televiziune prin cablu folosesc două convertoare A/D pe 12 biţi pentru a modula transmiţătorul laser şi a produce un flux de date TDM de aproximativ 2,5 Gbps. Odată ce fluxul de date ajunge la headend, este demultiplexat şi deserializat. În etapa finală, fluxul de date va fi transmis la un convertor digital/analog (D/A). Calea de întoarcere digitizată oferă o serie de avantaje faţă de o cale de întoarcere analogică. Semnalele digitizate TDM sunt transparente într-o reţea DWDM, înţelegând prin aceasta că semnalele pot fi transmise prin reţea fără degradare. De asemenea, tehnicile de procesare a semnalelor digitale reduc degradarea

138 II Sisteme de transport pe fibre multicanal digitale v/a/d. Fibrele optice sunt acum mediul dominant pentru transmiterea terestră a semnalelor digitale, iar sistemele digitale pe fibre sunt bine cunoscute pentru transportul de semnale de înaltă calitate video, audio şi de date. Sistemele trebuie să facă eficientă folosirea fibrei optice prin asigurarea transferului de canale multiple video şi audio pe o singură fibră. Un sistem digital funcţionând în cadrul unui domeniu digital trebuie să fie capabil să expandeze, insereze, ruteze şi să comute semnale într-o reţea în aşa fel încât performanţa audio şi video să nu fie afectată. O importanţă în creştere este proprietatea acestor sisteme de a accepta o varietate de formate de semnal şi de a se interfaţa cu reţelele de comunicaţii şi televiziune publice. Formatele de semnal pentru transmisiile video trebuie să includă codarea video la diferite nivele de acurateţe a digitizării, comprimarea video, imagini video de înaltă definiţie ca şi datele de mare viteză. Înţelegerea aspectelor privind multiplexarea, schemele de modulaţie şi sistemele digitale este importantă în vederea implementării unui sistem de transmisie multicanal. Toate sistemele de transport video/audio/date au în comun un număr de elemente ce formează blocurile de bază din care este construit un astfel de sistem. Acestea includ: emiţătoare, receptoare, regeneratoare de semnal, repetoare, codere, decodere, switch-uri, modulatoare, amplificatoare, convertoare A/D şi D/A, splitere, combiner-e, care permit: - semnalele să fie adăugate şi îndepărtate dintr-o reţea; - să utilizeze mici componente ale sistemului pentru distribuirea semnalului; - comutare A/B pentru protecţie cu circuit redundant; - interfeţe de date pentru controlul reţelei; - sincronizarea interfeţelor de ceas. Figura I.17 ilustrează un sistem de transmisie digitală cu o ierarhie TDM (multiplexare cu divizare în timp) pe două nivele. Fig. I.17. Sistem digital cu o ierarhie TDM pe două nivele

139 La capătul de emisie, un coder digital converteşte semnalul video analog de intrare în date PCM. (vezi modulaţia digitală pentru detalii). Coderul conţine de asemenea un multiplexor cu divizare în timp, numit multiplexor de nivel înalt (high level mux), care creează un subcanal digital ce va fi multiplexat în timp cu datele video PCM. Acest multiplexor de nivel înalt/coder video va scoate la ieşire un flux de date şi un semnal de ceas folosit pentru sincronism. Aceste semnale intră apoi în transmiţătorul optic pentru codarea digitală de linie, modularea sursei de lumină şi o interfaţă către fibra optică de transmisie. Acest multiplexor de nivel înalt primeşte la intrare date de la un al doilea TDM, numit multiplexor de nivel mic (low level mux), care controlează o magistrală de date cu o varietate de semnale de intrare. La capătul de recepţie, un receptor optic converteşte semnalul din optic în electric şi face decodarea de linie şi refacerea tactului (ceasului). Datele PCM şi tactul refăcut sunt apoi trimise la un decodor video digital care va converti video digital înapoi într-un semnal analog. Decodorul video de asemenea conţine un demultiplexor de nivel înalt, care separă subcanalul şi îl trimite către un demultiplexor de nivel mic. La acesta din urmă, semnalele sunt demultiplexate şi puse înapoi pe magistrala de date unde sunt decodate către ieşirea sistemului. II Transfer de la satelit în banda l. Cablul coaxial şi cele asemănătoare (coaxial cu cupru la exterior sau tub de aluminiu) sunt în mod tradiţional specifice aplicaţiilor de transmisie RF. Deşi funcţionale, ele au neajunsuri mari. Cablurile din cupru coaxial sunt voluminoase şi grele, conduc electricitatea şi au o lăţime mică de bandă ceea ce limitează serios distanţa maximă utilizabilă. Transmisia RF pe fibră optică elimină toate aceste deficienţe. Cablul de fibră cântăreşte mai puţin decât cel coaxial şi de când fibrele monomod au doar în jur de 0,2 0,4 db pierderi de semnal pe un kilometru de fibră, o antenă poate fi situată la kilometri distanţă faţă de receptor sau emiţător. În plus, proprietăţile dielectrice ale fibrei previn datele transportate de eventuale interferenţe. Transportul pe fibre optice al semnalelor de satelit poate fi folosit într-o serie de aplicaţii, printre care: transportul de la antena de satelit aflată la distanţă către headend-ul broadcaster-ului, aplicaţii de uplink şi downlink, servicii DBS. Reţea de la antene satelit la headend Operatorii folosesc legături de transport pe fibră optică pentru transmiterea semnalelor RF de la parabola antenei de satelit aflată la distanţă către headend-ul propriu. Datorită locaţiei îndepărtate a unor antene, echipamentul de transport în banda L trebuie să poată lucra într-o gamă variată de medii naturale. Calitatea semnalului este asigurată de obicei prin intermediul mijloacelor de control al câştigului, fie manual, automatic sau fix. În unele cazuri se folosesc variante de monitorizare de la distanţă şi control, folosind mijloace SNMP (Simple Network Management Protocol) pentru a supraveghea parametrii, ca: nivelul semnalului de RF, puterea de ieşire optică, setările pentru câştig, starea dispozitivelor. Adesea este folosit un sistem redundant optic şi/sau RF şi mai multe antene pentru a proteja sistemul de distribuţie de posibilele efecte dăunătoare ale mediului ambiant. Figura I.18 ilustrează un sistem redundant optic, iar a următoarea figură (I.19) un semnal redundant RF

140 Fig. I.18. Sistem satelit cu redundanţă optică Fig. I:19. Sistem satelit cu redundanţă RF Aplicaţii uplink şi downlink Sistemele cu antene satelit sunt rar unidirecţionale. Uplink-urile de IF (înaltă frecvenţă) folosesc modemuri la headend pentru a transmite semnalele de IF la parabola antenei aflată la distanţă, în timp ce downlink-urile transportă semnalele RF de la antena satelit la headend. Semnalele IF sunt de obicei în gama MHz. Figura I.20 ilustrează o aplicaţie uplink/downlink tipică. Fig. I.20. Aplicaţie uplink/downlink tipică Sistemul DBS O instalaţie tipică DBS (direct broadcast satellite distribuţie directă din satelit) foloseşte câţiva sateliţi. Acest lucru este necesar deoarece fiecare satelit poate transmite doar un număr mic de

141 canale. Pentru a transmite 500 de canale, de exemplu, provider-ul DBS ar putea avea nevoie de mai mulţi sateliţi. Aceşti sateliţi păstrează o orbită geosincronă deasupra ecuatorului şi acoperă emisfera de nord, din Statele Unite până în partea de nord a Americii de Sud. Indiferent de numărul de sateliţi necesari într-un sistem, configurarea căii de semnal este aceeaşi. Figura I.21 prezintă calea de semnal. Fig. I:21. Distribuţia de semnal DBS Aplicaţii pentru un sistem de transport în bandă L Semnalele recepţionate sunt convertite de LNB-ul montat la parabola antenei în semnale în bandă L, ceea ce permite semnalului de microunde să fie transportat pe o distanţă considerabilă. Trimiterea unui semnal de 12 GHz pe cablu de cupru coaxial duce la pierderi extrem de mari; oricum, după ce este convertit la 2 GHz (frecvenţa benzii L), acelaşi semnal poate fi transmis pe cupru coaxial la zeci de metri înainte ca pierderile să producă o degradare prea mare. Figura I.22 ilustrează această aplicaţie. Este prezentată o configuraţie redundantă, unde emiţătoarele şi receptoarele de back-up sunt conectate la un switch (comutator) A/B. În eventualitatea unei căderi a căii primare, switch-ul va activa calea secundară, menţinând reţeaua funcţională. Fig. I.22. Redundanţa căilor Transmisia de pe satelit în bandă L îşi găseşte aplicaţii în MDU s (multi-dwelling units unităţi multi-încăpere) cum ar fi blocurile de apartamente, dormitoare ale colegiilor, etc via un amplificator de bandă largă şi un spliter de RF. Figura I.23 ilustrează o aplicaţie MDU. Emiţătorul optic acceptă la intrare direct ieşirile de la LNB în gama 950 la 2200 MHz. Semnalul de RF este convertit în semnal optic şi transmis la receptorul optic. Ieşirea de RF a receptorului este apoi conectată la intrarea unui amplificator distribuitor de bandă largă şi alimentează un spliter RF 1x24. De la spliter, până la 24 de semnale pot fi distribuite la 24 de receptoare TV sau set-top-box-uri

142 Fig. I.23. Aplicaţie MDU II Media-convertoare. După cum le trădează şi denumirea, aceste componente ale reţelelor cu fibre optice sunt puntea de tranzit între două medii diferite de transport al informaţiei. Media convertoarele sunt folosite pentru a oferi o soluţie convenabilă pentru convertirea şi transmiterea datelor între medii Ethernet diferite - cuprul şi reţelele pe fibre optice. În cazul nostru vom face o scurtă trecere în revistă a tipurilor cele mai uzuale de media convertoare între fibra optică şi alte medii. Media-convertoarele sunt destinate să conecteze: 10/100Base-Tx/100Base-Fx perechi torsadate întrcu 100 m; 10Base-FL/10Base-T - perechi torsadate într-o reţea Ethernet (802.3), conector RJ45 cu 100 m; 10Base-FL/10Base-2 cablu coaxial la fibre într-o reţea Ethernet (802.3), conector BNC cu 185 m; Token ring cu fibre (802.5J), conector RJ45; ATM OC3 155Mbps - perechi torsadate, conector RJ45 cu 100m;

143 fibră mutimod/fibră monomod, pentru conectarea unei reţele publice de mare viteză pe monomod cu reţeaua locală realizată pe multimod; este posibilă transmiterea diferitelor protocoale ca Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Fibre Channel şi ATM, la 40/155/622 Mbps, maxim 70 km; MM/SM, ca la varianta anterioară, dar în acest caz se permite conectarea echipamentelor de comunicaţie cum sunt switch-uri, routere şi centrale digitale pe fibre monomod la mari distanţe în cadrul MAN-urilor şi WAN-urilor; sunt posibile mai multe protocoale ca Gigabit Ethernet, Fibre Channel, ATM OC-12 la 1,25 Gbps, maxim 100 km; placă adaptoare PC - FO, 10/100Base-Tx/100Base-Fx, permite conectarea cablurilor de fibră optică direct la un sistem de calcul PC; rezultă deci posibilitatea de a conecta la 200 Mbps până la 2 km distanţă în modul full duplex, odată cu îmbunătăţirea securităţii datelor; fiind dispozitive plug & play pentru slotul PCI de obicei, instalarea lor este foarte simplă; minihub-uri ce permit conectarea unui număr de dispozitive RJ45 sau BNC şi fibra optică; transceiver Ethernet placă adaptoare PC cu conector AUI (D-SUB cu 15 pini)/10base-fl; transceiver RS-232 (D-SUB cu 9 pini)/fibră optică; În principiu, modulele multimod suportă distanţe de până la 2 km, iar cele monomod de ordinul a zeci de km, în funcţie de puterea laserului. În tabelul I.3 este prezentat un exemplu de ofertă pentru media-convertoare. Conector Diametru miez ( m) Diametru înveliş ( m) Lungime de undă (nm) Distanţă acoperită (km) SC ST 62, SC Tabelul I.3. Exemplu de ofertă pentru media-convertoare Media-convertoarele pot fi întâlnite în variantele: - cu două fibre, caz în care o fibră este folosită pentru emisie, iar cealaltă pentru recepţie; - cu o singură fibră, caz în care emisia/recepţia se fac pe frecvenţe diferite, iar achiziţionarea lor se face în pereche (câte două media-convertoare, care se pot înţelege una cu alta). Mai jos este prezentat un exemplu de folosire a media-convertoarelor pe o singură fibră, în situaţia culegerii semnalului de la o antenă satelit aflată la distanţă de receptorul satelit (figura I.24)

144 Fig. I.24. Aplicaţie cu media-convertoare II Tehnologii de comunicaţie pe fibre optice. Modul de transfer folosit aproape exclusiv în reţelele optice este cel orientat pe conexiune, specific comutării de circuite. Comutarea de pachete necesită luarea deciziilor de rutare în fiecare nod şi la fiecare pachet care soseşte. Acest lucru necesită memorarea pachetelor, citirea şi prelucrarea antetelor, ceea ce nu se poate face deocamdată în domeniul optic. Prin urmare, comutaţia de pachete necesită conversia din optic în electric, prelucrarea în electric şi reconversia în optic. O astfel de reţea nu mai este transparentă optic şi prezintă dezavantajele cunoscute de la reţelele electrice: congestie, viteză mică de transfer, flexibilitate redusă etc. Toate reţelele implică acelaşi principiu de bază: informaţia poate fi trimisă la, partajată cu, trecută prin, şuntată (bypassed) în limitele unui număr de staţii computerizate (noduri) şi a unui computer master (serverul). În plus faţă de diferitele topologii pentru reţele, o serie de standarde şi protocoale au fost dezvoltate, fiecare cu propriile avantaje, topologii şi cerinţe de mediu. Acest subcapitol discută pe scurt aceste standarde şi protocoale, incluzând aici: ATM, Ethernet, FDDI, Fibre Channel, ISDN şi SONET. Modul de transfer asincron - Asynchronous Transfer Mode (ATM) Modul de transfer asincron este larg dezvoltat ca o tehnologie pentru trunchiurile reţelei. Această tehnologie se integrează uşor cu alte tehnologii şi oferă un management al reţelei sofisticat ce permite purtătoarelor de semnal să garanteze calitatea serviciului (QOS - quality of service). ATM este de asemenea referită ca un schimb de celule deoarece reţeaua foloseşte pachete sau celule scurte şi de lungime fixă pentru transportul datelor. Informaţia este împărţită în celule diferite, transmisă şi reasamblată la capătul de recepţie. Fiecare celulă conţine 48 octeţi de date utile şi un header de 5 octeţi. Această dimensiune fixă asigură ca datele video sau voce, critice în timp, să nu fie afectate de cadre sau pachete lungi de date, reducând astfel întârzierile. ATM organizează diferite tipuri de date în celule separate, permiţând utilizatorilor reţelei şi reţelei înseşi să determine câtă lăţime de bandă este alocată. Această modalitate se aplică cu succes în special în reţelele cu transmisii de date în rafale. Fluxurile de date sunt apoi multiplexate şi transmise între utilizator şi serverul reţelei şi între comutatoarele reţelei. Aceste fluxuri pot fi

145 transmise la mai multe destinaţii diferite, reducând cerinţele pentru interfeţe de reţea şi facilităţi de reţea şi la urmă, costul total al reţelei. În cadrul reţelelor ATM întâlnim conexiuni de cale virtuală (VPC - virtual path connections) care conţin mai multe conexiuni de circuite virtuale (VCC - virtual circuit connections). Circuitele virtuale nu sunt altceva decât conexiuni cap-la-cap, cu definirea punctelor de extrem şi a rutelor dar fără a defini alocarea pentru lăţimea de bandă. Banda este alocată în funcţie de necesarul cerut de reţea. VCC poartă un singur flux de celule de date continue de la utilizator la utilizator. Pot fi configurate ca statice, conexiuni virtuale permanente (PVC - permanent virtual connections) sau circuite virtuale comutate controlate dinamic (SVC). Când conexiunile de circuite virtuale sunt combinate în cadrul căilor virtuale, toate celulele dintr-o cale virtuală sunt rutate pe acelaşi drum, permiţând refacerea reţelei în eventualitatea unei defecţiuni majore

146 Capitolul II.07. Retele de calculatoare de tip WAN Cuvinte-cheie comutarea mesajelor, comutarea pachetelor, ISDN, TDM, PCM II Reţele cu comutarea mesajelor. Reţelele de comunicaţii pot fi clasificate în funcţie de tipul modului de transfer folosit astfel: reţele cu comutarea circuitelor; reţele cu comutarea mesajelor; reţele cu comutarea pachetelor: comutarea pachetelor de tip datagramă; comutarea pachetelor prin circuite virtuale. Pentru a înţelege serviciile ISDN este necesară cunoaşterea modului de operare a reţelelor cu comutarea circuitelor şi a pachtelor. Ambele tehnici sunt folosite în mod uzual în zilele noastre şi sunt suportate de ISDN. In figura 1.1 este reprezentată structura generală a unei reţele comutate. Echipamentele terminale de date (DTE Data Terminal Equipment) sunt conectate la o reţea şi concurează în vederea obţinerii de căi de comunicaţii între ele. Nodurile sunt switch-uri în cadrul reţelei. Intr-o reţea comutată calea dintre o pereche de DTE-uri de obicei nu este fixă. Astfel, DTE 1 se poate conecta la DTE 3 prin nodurile A, C, E, D sau prin nodurile A, B, D. Intr-o reţea telefonică, telefoanele pot fi considerate DTE-uri, iar centralele telefonice sunt noduri. Reţeaua este comutată deoarece doi utilizatori finali nu au o legătură dedicată permanentă între ei. Stabilirea unei căi se face la cerere, iar eliberarea sa are loc la sfârşitul convorbirii. O primă diferenţă între tipurile de reţele comutate o reprezintă partajarea sau nepartajarea canalelor de comunicaţie alocate între noduri pentru o conexiune dată

147 In comutarea circuitelor, folosită în special în reţelele telefonice, un circuit se stabileşte între partea apelantă şi cea apelată pe durata completă a conexiunii. Fiecare circuit are o capacitate de trafic fixă (de exemplu 64 kbps în cazul transmisiei de voce). Mai multe circuite pot fi multiplexate pe o conexiune şi comutarea se realizează prin translatarea poziţiei circuitului de intrare către poziţia circuitului de ieşire. Inainte de începerea transmisiei de date se rezervă o colecţie de circuite consecutive pentru fiecare conexiune între o sursă şi o destinaţie. Din momentul stabilirii unui circuit capacitatea sa de trafic nu poate fi folosită de o altă conexiune indiferent dacă există trafic sau nu. Comutarea circuitelor minimizează întârzierea conexiunilor. Practic nu există nici o buferare la nivelul comutatoarelor intermediare. Astfel, întârzierea în cadrul acestui tip de reţele este aproximativ constantă şi este formată din suma întârzierilor de propagare prin circuitele ce formează conexiunea şi a timpilor de comutare în nodurile intermediare. Comutarea circuitelor nu este suficient de flexibilă pentru a asigura un suport eficient aplicaţiilor ce necesită rate de transfer variabile. Comutarea circuitelor alocă în mod static resursele reţelei, lucru ce duce la simplificarea controlului şi administrării, dar pe de altă parte nu totdeauna resursele sunt folosite eficient. De exemplu, în timpul unei conversaţii telefonice, circuitul este folosit de obicei aproximativ 35% din durata convorbirii. Pentru aplicaţii cum ar fi poşta electronică, transferul de fişiere şi prelucrarea tranzacţiilor mult mai eficient s-a dovedit a fi procedeul prin care fiecare unitatea informaţională este tratată ca o entitate logică, numită mesaj. In acest caz fiecare mesaj este transmis în reţea independent de celelalte. Acest lucru se realizează prin adăugarea la fiecare mesaj a unui header ce defineşte nodul destinaţie. Fiecare nod intermediar memorează mesajele sosite, le prelucreză pentru a determina calea către destinaţie şi apoi le transmite prin ieşirea corespunzătoare. In aceste scenariu nu este necesară stabilirea unui circuit cu o capacitate de trafic dedicată. Cu toate că resursele reţelei sunt folsite mai eficient decât în cazul comutării circuitelor, în cadrul reţelelor cu comutarea mesajelor întârzierile nu mai sunt constante. Acest lucru se datorează întârzierilor variabile introduse de comutatoarele intermediare cu ocazia prelucrării şi transmiterii mesajelor. Din acest motiv comutarea mesajelor nu este adecvată pentru aplicaţii în timp real cum ar fi transmisia de voce sau videoconferinţa. II.07.2 Reţele cu comutarea pachetelor. Comutarea pachetelor constituie o încercare de a combina avantajele comutării circuitelor şi comutării mesajelor. In cazul comutării mesajelor trebuie recepţionat întregul mesaj pentru a putea începe prelucrarea şi transmisia mai departe a acestuia. Aplicaţiile generează mesaje de lungimi diferite. Un scurt mesaj de poştă electronică poate avea numai câteva sute de octeţi în timp ce un transfer de fişiere poate genera mesaje de milioane de octeţi. Comutarea pachetelor reprezintă în esenţă acelaşi lucru cu comutarea mesajelor cu excepţia faptului că mărimea unităţii informaţionale transmisă în reţea este limitată la o valoare maximă de ordinul sutelor sau miilor de octeţi. Pentru a realiza acest lucru mesajele utilizatorilor pot fi segmentate în mai multe pachete, înainte de a fi transmise. In acest fel se permite suprapunerea în

148 timp a recepţiei şi emisiei pachetelor la nivelul nodurilor intermediare reducând astfel întârzierea totală a mesajului. In comutarea pachetelor fiecare pachet trebuie să includă un header necesar în vederea dirijării sale către destinaţie (acest header este de obicei mai mare decât cel folosit în comutarea mesajelor, conţinând diverse informaţii adiţionale cum ar fi numărul de ordine al pachetului). Astfel principalul dezavantaj al comutării pachteleor îl reprezintă faptul că transmiterea unui mesaj necesită mai multă informaţie suplimantară (conţinută în header) faţă de comutarea mesajelor. Fiecare pachet din reţea este tratat ca o entitate independentă. Aceste pachete trebuie reasamblate de către receptor în vederea formării unităţii informaţionale (mesajului) iniţiale înainte de a fi prezentată utilizatorului. Reţelele cu comutarea pachetelor folosesc două moduri de implementare: comutarea pachetelor de tip datagramă (orientate pe conexiune connection oriented) şi comutarea pachetelor prin circute virtuale (fără conexiune - connectionless). In cazul datagramelor toate pachetele sunt tratate independent şi pot parcurge căi diferite către destinaţie. Principalul dezavantaj al acestei metode îl reprezintă faptul că pachetele pot ajunge la destinaţie într-o altă ordine decât cea folosită la emisie. Reordonarea pachtelor în vederea formării unităţii informaţionale originale reprezintă o operaţie consumatoare de timp şi resurse. In varianta circuitelor virtuale pot fi stabilite conexiuni logice între sursă şi destinaţie înainte de începerea transmisiei fără a dedica o anumită capacitate de trafic. Toate pachetele unui mesaj vor parcurge aceeaşi cale spre destinaţie fapt ce garantează recepţia în ordinea iniţială a pachetelor. Dezavantajul acestui mod de implementare îl reprezintă necesitatea unei faze de iniţializare prin care se defineşte circuitul virtual. De multe ori pentru descrierea serviciilor unei reţele cu comutarea pachetelor sunt folosite noţiunile: serviciu fiabil: reţeaua garantează recepţia în ordinea corectă a pachetelor şi poate înştiinţa emiţătorul în cazul pierderii unor pachete; serviciu nefiabil: reţeaua nu asigură livrarea pachetelor şi nu avertizează emiţătorul în cazul pachetelor pierdute. Reţelele de date publice tradiţionale cu comutarea pachetelor (PSPDN) oferă un serviciu fiabil de tip circuit virtual. Chiar dacă toate pachetele asociate unui circuit virtual parcurg probabil aceeaşi rută într-o reţea, nici un utilizator nu deţine o linie fizică. De exemplu, în figura 1.1, un circuit virtual între DTE 1 şi DTE 3 şi un alt circuit virtual între DTE 2 şi DTE 3 pot partaja calea fizică dintre nodurile B şi D. Internetul reprezintă un exemplu de reţea cu comutarea pachetelor ce oferă utilizatorilor un serviciu nefiabil de tip datagramă. Reţeaua nu garantează ajungerea pachetelor la destinaţie şi cu atât mai puţin recepţionarea acestora în ordinea corectă. Asigurarea unei conexiuni fiabile este realizată în Internet de către protocoalele folosite de echipamentele terminale

149 II.07.3 ISDN ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector) a adoptat primul set de recomandări cu privire la ISDN (Integrated Services Digital Network) în anul ISDN extinde conceptul de reţea telefonică prin înglobarea unor funcţii şi facilităţi oferite de reţelele cu comutarea circuitelor şi a pachetelor în vederea asigurării suportului în mod integrat atât pentru serviciile existente cât şi pentru noi servicii ce urmează a fi dezvoltate. ITU-T a definit ISDN-ul astfel: ISDN este o reţea, dezvoltată în general plecând de la reţelele telefonice integrate numerice ce asigură suportul pentru o gamă largă de servicii, incluzând atât servicii de tip voce, cât şi alte tipuri de servicii, la care utilizatorii au acces printr-un set limitat de interfeţe standard. Aşa cum arată definiţia, ISDN-ul reprezintă de fapt o mulţime de lucruri. In forma sa cea mai simplă ISDN-ul reprezintă o reţea telefonică îmbunătăţită ce permite transmisia de voce şi date pe aceeaşi pereche de fire torsadate. Intr-o viziune mai realistă ISDN reprezintă o tehnologie ce permite accesul atât la serviciile reţelei cât şi la infrastructura de reţea. In această viziune, abonaţii ISDN coexistă cu utilizatori non-isdn, toţi partajând serviciile oferite de reţea. ISDN reprezintă o reţea digitală ce poate furniza unui utilizator o mare diversitate de tipuri de servicii. Adevăratul rol al standardelor ISDN nu este de a arăta cum funcţionează reţeaua ci de a stabili modul în care utilizatorii comunică cu reţeaua şi accesează serviciile acesteia. Astfel standardele ISDN definesc interfaţa dintre utilizator şi reţea. Această interfaţă este prezentată sub forma unui set de protocoale incluzând un set de mesaje folosite pentru apelarea serviciilor. Standardele internaţionale asigură un cadru comun pentru toţi furnizorii naţionali de servicii. De exemplu, în SUA nu există un singur furnizor de servicii sau echipamente; de aceea este nevoie de un set suplimentar de standarde pentru a asigura consistenţa implementării unei reţele ISDN. Aceste definiţii sunt descrise în standardele NI (National ISDN) ce reprezintă un set de documente referitoare la modurile de implementare şi care definesc serviciile pentru S.U.A. 1. Ierarhia TDM Semnalele numerice sunt de obicei multiplexate pe un canal de comunicaţie folosind multiplexarea în timp (TDM time division multiplexing). In timp ce în cazul multiplexării în frecvenţă fiecărui utilizator i se alocă un interval din spectrul de frecvenţă pe toată durata solicitată de utilizator, în cazul multiplexării în timp fiecare utilizator poate folosi întreg spectrul de frecvenţă pe durata unui scurt interval de timp (time slot). In figura 1.2, cinci utilizatori partajează acelaşi canal, iar alocarea intervalelor de timp pentru fiecare utilizator se realizează prin procedeul round-robin

150 Pentru a transmite vocea într-o formă numerică, semnalul este eşantionat la 8 KHz. Această rată de eşantionare se bazează pe teorema lui Nyquist care arată că pentru a fi capabil de a reproduce un semnal analogic dintr-o serie de eşantioane, eşantionarea trebuie să se facă cu o frecvenţă de două ori mai mare decât cea mai mare frecvenţă a semnalului. Considerându-se că frecvenţa maximă pentru un semnal de tip voce este de 4 KHz rezultă o frecvenţă de eşantionare de 8 KHz (perioada de eşantionare de 125 microsecunde). Fiecare eşantion al unui semnal de tip voce este convertit într-un flux de biţi. Procesul de conversie a eşantionului analogic în flux de biţi se numeşte PCM (pulse code modulation) şi este realizat de echipamente numite CODEC (COder DECoder). CODEC-ul poate fi plasat într-o centrală telefonică numerică, caz în care linia telefonică dintre telefon şi centrală transportă semnale analogice. O altă varinată este de a plasa CODEC-ul în telefon, caz în care pe linia telefonică sunt transmise semnale numerice. In figura 1.3 se prezintă o schemă de digitizare a vocii. Semnalul de tip voce este eşantionat la 125 microsecunde. Această eşantionare, numită PAM (Pulse Amplitude Modulation), are ca rezultat un nivel analogic corespunzând valorii semnalului din acel moment. Amplitudinea eşantionului PAM este mapată la o valoare discretă pe axa amplitudinii; această codificare numerică se realizează prin PCM

151 De remarcat că scala amplitudinii PCM nu este liniară. Nivelele de amplitudine sunt definite ca fiind mai apropiate pentru valori mai mici şi mai îndepărtate pentru valori mai mari. Există doi astfel de algoritmi principali folosiţi în telefonie: -law folosit în special în SUA, Canada şi Japonia şi A-law, folosit în aproape tot restul lumii. Regulile PCM definesc 255 -law sau 256 nivele de amplitudine; de aceea, fiecare eşantion de voce este codificat într-un cuvânt de 8 biţi. Deoarece în fiecare secundă sunt luate 8000 de eşantioane, rata de transfer a unui canal de voce este 64 kbps. Acesta este uneori numit canal DS-0 (digital signaling level 0). Primele conexiuni digitale folosite în SUA au fost cele de tip T1. O conexiune T1 multiplexează 24 de canale de voce pe o singură linie de comunicaţii folosind multiplexarea în timp. Unitatea de bază a transmisiei este pachetul care conţine un eşantion din fiecare dintre cele 24 de canale. Deoarece un eşantion este reprezentat pe 8 biţi, un pachet conţine 192 de biţi reprezentând date ale utilizatorilor. Fiecare pachet este precedat de un singur bit de control astfel încât un pachet T1 conţine 193 de biţi (figura 1.4). Tabelul 1.1 Nivelul multiplexare numerică de Numărul de canale de voce echivalent Rata de comunicaţie (Mbps) America de Europa Nord Japonia DS-0/E0/J0 1 0,064 0,064 0,064 DS-1/J1 24 1,544 1,544 E1 30 2,048 DS-1C/J1C 48* 3,152 3,152 DS-2/J2 96 6,312 6,312 E ,

152 E3/J ,368 32,064 DS ,736 DS-3C 1344* 91,053 J3C ,728 E ,264 DS ,176 J , ,148 * rate de multiplexare intermediare Deoarece fiecare pachet conţine un eşantion din fiecare canal de voce trebuie să existe 8000 de pachete/secundă pentru un canal T1. Aceasta conduce la o rată de Mbps, cunoscută de asemenea sub numele de DS-1 (digital signaling level 1). Conexiunile T1 multiplexează 24 canale de voce folosind TDM. La rândul lor, câteva conexiuni T1 pot fi multiplexate folsind TDM pentru a genera canale cu rate de transfer mai mari. Numărul de canale multiplexate este definit de ierarhia TDM prezentată în tabelul 1.1. O altă ierarhie TDM larg răspândită se bazează pe standardele de administrare CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications). Primul nivel al ierarhiei CEPT multiplexează 32 time slot-uri (fiecare de câte 8 biţi, rezultând canale de 64 kbps) rezultând un pachet cu 256 biţi şi o rată de transfer de Mbps. Unul din cele 32 time slot-uri este folosit pentru control, un altul pentru alinierea pachetului, iar restul de 30 pentru datele utilizatorului, rezultând astfel o rată de transfer a datelor de Mbps. Acesta este numit formatul de pachet E1 sau CEPT nivelul 1 (figura 1.5). 2. Canale ISDN

153 In comunicaţiile de date, un canal reprezintă un circuit unidirecţional prin care este transmisă informaţia. Un canal poate transporta semnale analogice sau numerice reprezentând date ale utilizatorilor sau informaţie de control. In cadrul ISDN şi al altor medii numerice ce folosesc multiplexarea în timp (TDM) un canal se referă în general la intervalul de timp (time slot) ce îi este alocat în cadrul unei transmisii şi este de tip full-duplex. Există trei tipuri de bază de canale definite pentru comunicaţiile între utilizatori într-o reţea ISDN (tabelul 1.2): canal de tip D: transportă informaţie de control între utilizator şi reţea; poate de asemenea fi folosit pentru pachete de date. canal de tip B: transportă informaţii pentru servicii adresate utilizatorilor, incluzând voce, audio şi date numerice; operează cu o rată de transfer DS-0 (64kbps). canal de tip H: are aceeaşi funcţie ca un canal de tip B, dar lucrează la rate de transfer mai mari decât DS-0. Tabelul 1.2 Tip canal Funcţie Rată de comunicaţie B servicii de suport 64 kbps D semnalizare şi pachete de date 16 kbps (BRI) 64 kbps (PRI) H 0 servicii de suport de bandă largă 384 kbps H 1 servicii de suport de bandă largă H 10 (23B)* H 11 (24B) H 12 (30B) 1,472 Mbps 1,536 Mbps 1,929 Mbps N x 64 servicii de suport de bandă variabilă de la 64 kbps la 1,536 Mbps cu pasul de 64 kbps B-ISDN DS-3 STM-1/OC-3 STM-4/OC-12 44,736 Mbps 155,52 Mbps 622,08 Mbps * canalul H 10 este definit de ANSI, dar nu şi de ITU-T

154 Diferenţele între tipurile de canale sunt date de funcţiile îndeplinite de acestea şi de rata de transfer folosită. 2.1 Canal de tip D Toate echipamentele ISDN se conectează la reţea folosind un conector fizic standard şi schimbă cu reţeaua un set de mesaje standard prin care solicită un anumit serviciu. Conţinutul mesajelor de solicitare a serviciului diferă în funcţie de serviciul apelat; de ex. Un telefon ISDN va solicita reţelei servicii diferite faţă de un sistem TV. Oricum, toate echipamentele ISDN vor folosi acelaşi protocol şi acelaşi set de mesaje. Schimbul de mesaje de control între reţea şi echipamentele utilizatorilor se realizează prin canale de tip D. De obicei un canal de tip D furnizează serviciile de control pentru o singură interfaţă (punct de acces) ISDN. Este posibil ca un echipament ISDN să fie conectat la reţea prin mai multe interfeţe. In acest caz, canalul de tip D poate furniza informaţii de control pentru mai multe interfeţe ISDN. Astfel se realizează economie de resurse prin concentrarea tuturor informaţiilor de control pe un singur canal. Această facilitate este disponibilă numai interfeţelor ISDN de tip T-carrier. Datorită faptului că principala funcţie a canalelor de tip D o reprezintă transportul semnalelor de control, de multe ori o importantă capacitate de trafic rămâne neutilizată. Din acest motiv, canalele de tip D îndeplinesc şi o funcţie secundară şi anume de transport al pachetelor de date. Mesajele conţinând informaţie de control au întotdeauna prioritate faţă de pachetele de date. Canalele de tip D operează fie la 16 kbps, fie la 64 kbps în funcţie de interfaţa de acces a utilizatorului. 2.2 Canal de tip B Semanlele de control transmise prin canalul de tip D descriu caracteristicile serviciului solicitat de utilizator. De ex. un telefon ISDN poate solicita o conexiune de tip comutare de circuite cu o capacitate de 64 kbps pentru a suporta o aplicaţie de transmisie de voce. Acest tip de caracteristici descrie ceea ce se numeşte serviciu de suport (bearer service). Acestea sunt garantate de către reţea prin alocarea unui canal cu comutare de circuite între echipamentul apelant şi destinaţie. Principalul scop al canalelor de tip B este de a transporta semanlele de tip voce, audio, imagine, date şi video. Solicitările de servicii ale utilizatorilor nu sunt transmise pe canale de tip B. Canalele de tip B operează întotdeauna la o rată de 64 kbps, rată necesară pentru aplicaţiile de tip voce. Canalul de tip B poate fi folosit atât pentru aplicaţii cu comutare de circuite, cât şi pentru aplicaţii cu comutare de pachete. O conexiune de tip comutare de circuite furnizează o legătură transparentă între utilizatori, permiţând conexiunii să fie perfect adaptată tipului de serviciu (televiziune sau muzică). Pentru canalele de tip B ce folosesc comutarea de circuite nu sunt definite protocoale deasupra nivelului fizic; fiecare utilizator al unui canal de tip B este responsabil de definirea protocoalelor de nivel superior ce vor fi utilizate. De asemenea intră în responsabilitatea utilizatorilor să asigure compatibilitatea între echipamentele conectate prin canalele de tip B. Conexiunile cu comutare de pachete suportă echipamente bazate pe comutarea de pachete ce folosesc protocoale cum ar fi X.25 sau frame-relay. ISDN poate furniza fie un serviciu propriu cu

155 comutare de pachete, fie accesul la o reţea publică de date cu comutare de pachete. In ultimul caz atunci când se solicită un serviciu trebuie folosite protocoalele şi procedurile PSPDN. In concluzie se poate spune că echipamentele folosesc canale de tip D pentru schimbul de mesaje de control în vederea solicitării de servicii pe canale de tip B. 2.3 Canale de tip H O aplicaţie ce necesită o rată de transfer mai mare de 64 kbps poate fi obţinută prin folosirea unor canale de bandă largă, canale de tip H, ce furnizează o capacitate de trafic echivalentă unui grup de canale de tip B. Aplicaţiile ce necesită rate de transfer mai mari de 64 kbps includ interconectări de reţele locale, transmisii de date de mare viteză, transmisii audio de înaltă calitate, teleconferinţă şi servicii video. Primul canal cu o rată de transfer mai mare definit este canalul de tip H 0 care are o rată de transfer de 384 kbps. Acesta este echivalent cu un grup logic de şase canale de tip B. Un canal H 1 cuprinde toate intervalele de timp prealocate la nivelul unei singure interfeţe folosind conexiuni de tip T1 sau E1. Un canal H 11 operează la Mbps şi este echivalent cu 24 time slots (24 canale B) pentru compatibilitate cu conexiuni de tip T1. Un canal H 12 operează la Mbps şi este echivalent cu 30 time slots (30 de canale B) pentru compatibilitate cu conexiunile de tip E1. ANSI a definit un canal H 10 ca operând la Mbps (echivalent cu 23 time slots) şi folosind o interfaţă de tip T1. Acest canal a fost propus de ANSI pentru a suport un singur canal de bandă largă şi un canal D pe aceeşi conexiune T1; un canal D şi un canal de bandă largă nu pot coexista cu un canal H 11 folosind aceeşi interfaţă T1. Pentru aplicaţii ce necesită rate de transfer variabile a fost definit un set realtiv nou de canale ISDN numit canal Nx64. Acest canal are o structură similară canalelor H cu excepţia faptului că oferă o gamă mai largă de rate de transfer de la 64 kbps până la Mbps cu un pas de 64 kbps. Atunci când un utilizator solicită un canal Nx64, serviciul cerut conţine tipul canalului (Nx64) şi valoarea lui N (între 1 şi 24). Un avantaj al canalului Nx64 îl reprezintă capacitatea de a administra cerinţele de trafic ale aplicaţiei. 3. Interfeţe de acces Prin interfaţă de acces se înţelege conexiunea fizică dintre utilizator şi ISDN prin care i se permite utilizatorului să solicite şi să obţină servicii. Interfeţele de acces ISDN diferă de interfeţele de acces la reţeaua telefonică. In primul rând, unul din scopurile ISDN este de a furniza toate serviciile printr-o singură conexiune de acces la reţea, independent de tipul echipamentului sau serviciului. In al doilea rând, interfeţele de acces ISDN presupun existenţa unui canal D pentru controlul TDM şi câteva canale B pentru datele

156 utilizatorului. Astfel este posibil ca mai multe fluxuri de informaţii să folosească simultan o singură interfaţă fizică. Recomandările ISDN elaborate de ITU-T definesc două interfeţe de acces: BRI (Basic Rate Interface) şi PRI (Primary Rate Interface). Aceste intefeţe de acces specifică rata de transfer la care va opera mediul fizic de comunicaţie şi numărul de canale B, D şi H disponibile (tabelul 1.3). Tabelul 1.3 Tip interfaţă Structură* Rată totală de comunicaţie Rată de transfer a datelor utilizatorului BRI 2B+D kbps 144 kbps PRI 23B+D 64 1,544 Mbps 1,536 Mbps 30B+D 64 2,048 Mbps 1,984 Mbps * canalul de tip D operează la 16 kbps pentru BRI şi la 64 kbps pentru PRI. această variantă este una din posibilele configuraţii PRI şi este cea mai utilizată în prezent. Sunt de asemenea posibile şi alte configuraţii cum ar fi de exemplu 24B. 3.1 Basic Rate Interface BRI presupune existenţa a două canale B şi un canal D, şi este notată 2B+D. Canalul D folosit de o interfaţă BRI operează întotdeauna la o rată de 16 kbps. In cazul în care BRI este folosit numai pentru telefonie şi pe canalul D nu se transmit date, configuraţia este numită uneori 2B+S. Dacă este necesar un singur canal B, atunci poate fi comandată o configuraţie 1B+D sau 1B+S, iar dacă este suficientă o rată de 9.6 kbps pentru transfer de date configuraţia comandată poate fi 0B+D. Aceste configuraţii permit ca ISDN-ul să fie administrat de aplicaţiile clienţilor, oferindu-se preţuri diferite în funcţie de numărul canalelor active. In toate aceste configuraţii, caracteristicile interfeţelor fizice sunt aceleaşi; singura diferenţă e dată de canalele activate de centrala ISDN şi de tipul de trafic permis pe canalul D. Rata de transfer a datelor utilizatorului printr-o interfaţă BRI este de 144 kbps (2x64 kbps + 16 kbps) cu toate că informaţia de control adiţională pentru conexiunea fizică necesită ca BRI să opereze la o rată de transfer mai mare. 3.2 Primary Rate Interface Pentru PRI există de asemenea mai multe configuraţii posibile. Configuraţia cea mai răspândită în America de Nord şi Japonia este notată 23B+D, însemnând existenţa a 23 de canale B şi a unui canal D operând la 64 kbps. Opţional, pentru o interfaţă PRI canalul D poate fi dezactivat permiţând folosirea în locul acestuia a unui alt canal B, configuraţie notată 24B. Această descriere a interfeţei

157 PRI se bazează pe conexiuni de tip T1; ea operează la o rată de transfer de Mbps din care Mbps reprezintă date ale utilizatorilor. O altă configuraţie notată 30B+D se bazează pe conexiuni de tip E1 şi operează la o rată de Mbps din care Mbps reprezintă date ale utilizatorilor. Interfaţa PRI conţine mai multe canale decât foloseşte de obicei echipamentul utilizatorului. De fapt, scopul principal al interfeţei PRI este de a furniza acces la reţea prin intermediul unui echipament specializat al clientului, cum ar fi o centrală PBX, un multiplexor sau un calculator. In cazul în care o aplicaţie necesită o rată de transfer mai mare decât cea pe care o poate furniza un canal de tip B atunci interfaţa PBI poate fi configurată astfel încât să permită accesul la un canal H. Atunci când este folosită această configuraţie numărul de canale B disponibile va descreşte cu numărul de time slot-uri folosit de canalele H. Un exemplu poate fi un sistem de videoconferinţă ce necesită 384 Kbps (canal H 0 ) pentru un apel. Interfaţa PRI ar trebui să asigure capacitatea de trafic printr-un canal D şi 17 canale B. Dacă sistemul de videoconferinţă necesită un canal H 11 atunci nu vor mai fi disponibile time slot-uri pentru canale B sau D. Această flexibilitate permite interfeţei PRI să opereze atât ca un sistem de acces de bandă largă, cât şi ca un sistem de acces de bandă îngustă în funcţie de aplicaţia activă. Aceeaşi capacitate de trafic (time slot-uri) poate fi configurată la cerere pentru diferite tipuri de canale. II.07.4 Arhitectura ISDN 1. Puncte de referinţă Un model de referinţă pentru ISDN este definit de ITU-T I.411. Acesta constituie un model de conectare la ISDN. Aşa cum se poate vedea în figura 2.1 modelul permite echipamentelor non- ISDN (notate echipament terminal 2 - ET2) să fie conectate prin intermediul unui adaptor terminal (AT). La acest nivel, punctul de referinţă S, echipamentele non-isdn pot fi privite ca ecipamente ISDN (echipament terminal 1 ET1). Punctul de referinţă T permite existenţa unor funcţii de comutare intermediare cum ar fi: reţele locale de calculatoare, centrale PABX (Public Access Branch Exchanges) sau controllere de terminale (numite terminator reţea 2 - TR2). Toate acestea sunt plasate înainte de conectarea la terminatorul de reţea 1 care permite intrarea efectivă în reţea. Pentru echipamentele ISDN ce sunt folosite fără un switch intermediar acesta este uneori numit punctul de referinţă S/T. Diagrama originală prezentată în I.411 nu include punctul de referinţă U. In America de Nord punctul de referinţă U este util pentru echipamnetele utilizatorilor finali. In marea majoritate a celorlalte locuri TR1 este mai curând considerat parte a reţelei decât echipament al clientului

158 Recomandarea I.320 descrie în detaliu modelul de referinţă al protocolului ISDN (ISDN Protocol Reference Model). 2. Arhitectura Recomandarea I.325 descrie sumar modelul arhitectural de bază al ISDN aşa cum este prezentat în figura 2.2. Rolul principal al acestui model este de a indica modul în care pot fi folosite diverse facilităţi ale ISDN. Alte aspecte prezentate în I.325 se referă la modul în care diverse elemente de acces pot fi conenctate la reţele naţionale ISDN şi apoi la modul de interconectare a acestora prin conexiuni internaţionale

159

160 Ca şi alte reţele de telecomunicaţii, incluzând reţeaua telefonică, ISDN foloseşte mai multe protocoale. Mesajele între utilizator şi reţea, precum şi datele utilizatorilor sunt transmise simultan prin canalele de acces ISDN. Datele utilizatorilor şi informaţia de control utilizator-reţea folosesc seturi diferite de protocoale cu toate că partajează acelaşi mediu fizic. Pentru a suporta implementarea transportului informaţiei de control şi a utilizatorilor pe căi de date diferite, ITU-T a introdus conceptele plan de control (plan-c) şi plan utilizator (plan-u) (figura 2.3). Protocoalele asociate planului C sunt destinate transferului informaţiei de control pentru administrarea resurselor reţelei şi/sau serviciilor utilizatorilor cum ar fi: stabilirea conexiunii, terminarea conexiunii, schimbarea caracteristicilor serviciilor în timpul conexiunii şi solicitarea de servicii suplimentare. Protocoalele asociate planului U sunt destinate transferului de informaţie între aplicaţiile utilizatorilor, cum ar fi: semnale numerice de tip voce şi video şi date ale utilizatorilor. Informaţia din planul U poate fi transmisă între utilizatori fie transparent, de către reţea, fie prin manipulare în cadrul reţelei (de exemplu conversie PCM de la A-law la -law). Nu toate cele şapte nivele de protocoale trebuie să fie prezente pentru o aplicaţie dată. De exemplu, pentru o transmisie de voce ar trebui să fie suficient un protocol la nivelul unu care să definească algoritmul PCM folosit. Aplicaţiile de date de cele mai multe ori definesc numai primele două sau trei nivele de protocoale, funcţiile de la nivelele patru până la şapte fiind realizate de către calculatoare (sunt transparente pentru reţea). ITU-T a definit planul de administrare ca fiind un administrator de trafic în vederea asigurării protocolului adecvat pentru transportul traficului. Datele de la nivelul planelor C şi U sunt transportate prin mediul fizic prin intermediul planului de transport

161 Esenţa specificaţiilor protocolului ISDN se referă la interfaţa utilizator-reţea şi la informaţia de control transmisă prin canalul D. Informaţia de control corespunde protocoalelor palnului C. Protocoalele planului C pentru canalul D sunt echivalente din punct de vedere funcţional cu primele trei nivele ale modelului de referinţă OSI. Cele trei nivele de protocoale pentru canalul D sunt: Nivelul 1. Descrie conexiunea fizică între echipamentul terminal şi terminatorul de reţea incluzând conectorul, schema de codificare folosită, caracteristici electrice şi ale pachetelor. Conexiunea fizică este de tip sincron, serial şi full-duplex; poate fi de tip punct la punct (PRI sau BRI) sau punct la multipunct (numai pentru BRI). Canalele D şi B partajează mediul fizic de comunicaţie folosind multiplexarea în timp. Nivelul 2. Descrie procedurile folosite pentru a asigura o comunicaţie fără erori şi defineşte conexiunea logică dintre utilizatori şi reţea. De asemenea, protocolul furnizează regulile pentru multiplexarea mai multor echipamente terminale pe un singur canal fizic într-un mediu BRI. Nivelul 3. Defineşte mesajele de control folosite pentru solicitarea de la reţea a serviciilor dorite. Interacţiunile de tip peer-to-peer ale celor trei nivele respectă modelul OSI. Protocoalele ISDN descriu interfaţa utilizator-reţea pentru un canal D la nivelul punctelor de referinţă S şi T (figura 2.4). Diferite nivele de protocoale văd aceste puncte de referinţă în mod diferit. In figură s-a presupus că punctul de referinţă S reprezintă o interfaţă ISDN. Protocolul ISDN de la nivelu unu defineşte conexiunea fizică dintre echipamentul terminal ISDN (ET1 sau AT) şi echipamentul terminator de reţea (TR2 sau TR1). Recomandările ITU-T nu descriu conexiunea fizică dintre TR1 şi CL (centrală locală ISDN). TR1 furnizează numai un serviciu de nivel unu şi de aceea nivelele doi şi trei sunt transparente pentru acesta

162 Este important de precizat că protocoalele palnului C sunt specificate numai pentru punctele de referinţă S şi T şi numai pentru canal D. Pentru canale B sau H utilizatorul poate alege orice protocol. Deoarece canalele B, H şi D sunt multiplexate în timp pe aceeaşi linie fizică, toate canalele partajează acelaşi standard la nivel fizic. Fiecare tip de acces ISDN foloseşte aceeaşi arhitectură de bază. Recomandările ITU-T conţin principiile de bază pentru N-ISDN (Narrowband ISDN), B-ISDN (Broadband ISDN) şi Frame Relay. 2.1 N-ISDN N-ISDN reprezintă varianta originală a ISDN şi din acest motiv de cele mai multe ori prefixul N este omis. Intr-o etapă iniţială recomandările au fost gândite pentru a suporta cerinţele traficului de voce din acea perioadă şi ale serviciilor de date. Pentru acest scop a fost considerată suficientă o rată de transfer de 64 kbps (cu îmbunătăţiri ale metodelor de codificare semnalul numeric de tip voce ocupă în mod normal 32 kbps din fluxul de date). 2.2 B-ISDN Procesul de elaborare a standardelor este un proces lent. Ideea ISDN a apărut în anii 60. Prima documentaţie a fost elaborată în 1980, iar primele recomandări suficiente pentru o implementare preliminară au apărut în Incă din 1984 a devenit evident că 64 kbps nu vor fi suficienţi pentru multe din utilizările ISDN-ului. Astfel, în coroborare cu o documentaţie mai completă pentru N- ISDN, în 1988 au fost elaborate primele recomandări B-ISDN (Blue Books). CCITT a probat primul set de recomandări B-ISDN în Acestea au constat în 13 serii de recomandări punând bazele principiilor funcţionale şi arhitecturale ale B-ISDN. Patru dintre caracteristicile menţionate pentru modul de transfer asincron (ATM) al B-ISDN sunt: flexibilitate ridicată a accesului la reţea datorată conceptului de transport al celulelor şi principiilor specifice de transfer al celulelor; alocare dinamică, la cerere, a capacităţii de trafic; alocare flexibilă a serviciilor bearer şi furnizare facilă a conexiunilor semipermanente datorită conceptului de cale virtuală; independenţă faţă de modul de transport la nivelul fizic. Datorită arhitecturii bazate pe celule de date, B-ISDN este adecvat pentru folosirea multor rate de transfer. Capacitatea de transfer curentă depinde de cerinţele fluxului de date şi de facilităţile disponibile

163 2.3 Frame Relay Conceptul general frame relay s-a referit la capabilitatea de a valorifica avantajele unei reţele numerice. Protocoalele de date existente (cum ar fi X.25) folosesc protocoale de detectare a erorilor şi secvenţiere redundante la diferite nivele. Acest lucru a fost folositor în situaţia în care linia de comunicaţie era considerată puţin fiabilă. Incărcarea suplimentară introdusă de aceste protocoale adiţionale a fost dificil de justificat în momentul îmbunătăţirii calităţii transmisiei şi creşterii vitezei

164 Capitolul II.08. Administrarea reţelelor de calculatoare Cuvinte-cheie IP, TCP, UDP ICMP, IGMP II Noţiuni de bază despre rutare. Sistemul Internet este format dintr-un număr de reţele interconectate care suportă comunicaţii între calculatoare folosind un set de protocoale Internet. Aceste protocoale includ Internet Protocol (IP), Internet Control Messages Protocol (ICMP), Internet Grup Management Protocol (IGMP), şi o varietate de protocoale de nivel aplicaţie şi transport ce depind de acestea. Toate protocoalele Internet folosesc IP ca mecanism de bază pentru transportul datelor. IP este un protocol de comunicaţie de tip datagramă sau care nu se bazează pe conexiune şi include facilităţi pentru adresare, specificaţii despre tipul serviciului, fragmentarea şi reasamblarea pachetelor şi securitate. ICMP şi IGMP sunt considerate ca fiind părţi integrante ale IP, de altfel ele sunt arhitectural, nivele peste IP. ICMP furnizează rapoarte privind erorile de transmisie, controlul fluxului, primul gateway şi alte funcţii privind mentenanţa şi controlul comunicaţiei. IGMP furnizează mecanisme prin care host-urile şi router-ele se alătură şi părăsesc un grup multicast. Siguranţa transferurilor de date este dată în Internet de protocoalele nivelului transport şi anume de Transmission Control Protocol (TCP), care furnizează retransmisia între sursă şi destinaţie, resegmentarea şi controlul conexiunii. Serviciile care nu se bazează pe conexiune de nivel transport sunt oferite de User Datagram Protocol (UDP). Figura 1.1 Suita de protocoale Internet acoperă toate nivelele modelului OSI

165 Protocoalele Internet au fost dezvoltate la mijlocul anilor 1970, când DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) a devenit interasată de realizarea unei reţele cu comutarea pachetelor care ar fi facilitat comunicaţia între diverse sisteme informatice ale instituţiilor de cercetare. Având în minte scopul unei conectivităţi heterogene, DARPA a finanţat cercetarea Universitaţii Stanford şi a companiei BBN (Bolt, Beranek şi Newman). Rezultatul acestui efort de cercetare a fost suita de protocoale Internet, completată la sfârşitul anilor TCP/IP a fost inclus mai târziu cu Berkeley Software Distribution (BSD) UNIX şi a devenit apoi fundamentul pe care se bazează Internetul şi World Wide Web (WWW). Documentaţia despre protocoalele Internet (incluzând protocoalele noi sau revizuite) şi politici este specificată în raportul tehnic numit Request For Comments (RFCs), ce a fost publicat şi apoi revizuit de comunitatea Internet. Protocolul revizuit a fost publicat din nou în RFCs. Pentru a ilustra scopul protocoalelor Internet, Figura 1.1 reprezintă o schemă a protocoalelor din suita protocolului Internet şi nivelele corespunzătoare lor din modelul OSI Protocolul Internet. Protocolul Internet se afla la baza comunicaţiei în Internet. Funcţiile sale includ: - definirea de datagrame, care sunt unitatea de bază a transmisiei în Internet; - definirea schemei de adresare în Internet; - transmiterea datelor între nivelul Network Access şi nivelul Transport; - rutarea datagramelor către host-ul aflat la distanţă; - realizarea fragmentării şi reasamblării datagramelor. Înainte de descrierea în detaliu a acestor funcţii, să analizăm câteva caracteristici ale IP. Întâi, IP este un protocol care nu se bazează pe conexiune. Acest lucru înseamnă că IP nu schimbă informaţii de control ("handshake") pentru a stabili o conexiune între sursă şi destinaţie înaintea transmiterii de date. În contrast, un protocol orientat pe conexiune schimbă informaţii de control cu sistemul aflat la distanţă pentru a verifica dacă este gata să primească date înainte de a transmite vreuna. Când conexiunea (prin ("handshake") este realizată, sistemul spune că a stabilit conexiunea. Protocolul Internet se bazează pe protocoale ale altor nivele pentru stabilirea conexiunii dacă acestea necesită servicii orientate pe conexiune. De asemenea, IP se bazează pe protocoale ale altor nivele pentru detectarea şi corectarea erorilor. IP este uneori numit un protocol incert pentru că nu conţine coduri de detectare şi corectare a erorilor. Asta nu înseamnă că acest protocol nu poate fi considerat sigur. Putem conta pe faptul că IP poate transmite în siguranţă datele într-o reţea, dar nu va verifica dacă datele au fost corect recepţionate. Protocoalele altor nivele ale arhitecturii TCP/IP furnizează această verificare atunci când este cerută Datagrama Protocoalele TCP/IP au fost dezvoltate pentru a transmite date în reţeaua ARPANET, care este o reţea cu comutarea pachetelor. Un pachet este un bloc de date care conţine şi informaţiile necesare pentru livrare - într-o manieră asemănătoare cu scrisoarea poştală, care are adresa scrisă pe plic. O reţea cu comutarea pachetelor foloseşte informaţia conţinută în pachete privind adresa, pentru a

166 comuta pachetele de pe un nivel fizic pe altul, transmiţându-le apoi mai departe spre destinaţia finală. Fiecare pachet străbate reţeaua independent de oricare alt pachet. Datagrama este un format de pachet definit de Protocolul Internet. Figura 1.2 reprezintă o datagramă IP. Primele 5 sau 6 cuvinte de 32 biţi ai datagramei reprezintă informaţii de control şi se numesc header. Implicit, header-ul are o lungime de 5 cuvinte, al 6-lea fiind opţional. Din cauză că lungimea header-ului poate fi variabilă se include un câmp numit IHL (Internet Header Length - lungimea header-ului internet) care indică lungimea exactă a acestuia. Header-ul conţine toate informaţiile necesare livrării pachetului. Protocolul Internet livrează datagrama verificând adresa destinaţie din al 5-lea cuv al header-ului. Adresa destinaţie este o adresă IP v4 standard de 32 de biţi care identifică reţeaua destinaţie şi hostul respectiv. Dacă adresa destinaţie este adresa unui host din reţeaua locală, pachetul este livrat direct destinaţiei. Dacă adresa destinaţie nu face parte din reţeaua locală, pachetul este trimis la un gateway pentru a fi livrat. Gateway-urile sunt dispozitive care comută pachete între diferite reţele fizice. Decizia privind ce gateway se va folosi se numeşte rutare. Router-ele (gateway-urile) iau decizii de rutare pentru fiecare pachet individual ce trebuie transmis Rutarea datagramelor Figura 1.2 Formatul unei datagrame IP În modelul Internet, reţelele constituente sunt interconectate prin echipamente specifice numite router-e sau IP router-e. Istoric, router-ele au fost iniţial realizate cu soft-uri de comutare a pachetelor ce rulau pe echipamente nespecializate. Deoarece, în timp, implementarea de hardware a devenit mai ieftină, iar cerinţele privind performanţele au crescut, router-ele au fost implementate sub forma unor echipamente specializate. Gateway-urile în Internet sunt de obicei (şi probabil mai corect) referite ca router-e IP deoarece folosesc Protocolul Internet pentru rutarea pachetelor între reţele. În jargonul tradiţional TCP/IP,

167 există numai 2 tipuri de dispozitive de reţea: gateway-uri şi host-uri. Gateway-urile expediază pachetele între reţele şi host-urile nu. Oricum, dacă un host este conectat cu mai mult de o reţea (şi se numeşte multi-homed host), el poate expedia pachete între reţele. Când un host multi-home expediază pachete, el se comportă ca orice gateway şi este considerat a fi gateway. Terminologia actuală a comunicaţiilor de date face distincţie între gateway şi router, dar noi vom folosi termenii de gateway şi router IP unul în locul altuia. În terminologia actuală, un gateway transmite date între diferite protocoale şi un router transmite date între diferite reţele ce utilizează acelaşi protocol. Figura 1.3 prezintă modul în care este folosit un gateway pentru a expedia pachete. Host-urile prelucrează pachetele de-a lungul celor 4 nivele, în timp ce gateway-ul (sau sistemul intremediar) procesează pachetele numai până la nivelul Internet unde se ia decizia de rutare. Figura 1.3 Rutarea prin gateway-uri Sistemele pot numai să livreze pachetele altor dispozitive ataşate în aceeaşi reţea fizică. Pachetele de la A1 destinate hostului C1 sunt expediate prin gateway-urile G1 şi G2. Hostul A1 mai întâi livrează pachetele spre gateway-ul G1, prin reţeaua A la care ambele sunt conectate. Gateway-ul G1 livrează pachetul la G2 prin reţeaua B. Gateway-ul G2 livrează apoi pachetul direct hostului C1 deoarece ambele fac parte din aceeaşi reţea C. Hostul A1 nu cunoaşte nimic în afară de gateway-ul G1. El trimite pachetele destinate reţelelor B sau C către acelaşi gateway local, şi apoi devine sarcina gateway-ului să expedieze corect pachetele către destinaţia lor. Tot aşa, hostul C1 va trimite pachetele sale către G2, în scopul de a ajunge la un host din reaţeaua A, sau din reţeaua B ICMP ICMP este considerat adesea ca făcând parte din nivelul IP. El furnizează mesaje de eroare şi alte informaţii necesare pentru controlul comunicaţiei. Mesajele ICMP sunt generate de unul din nivelele IP sau de protocoale de la nivele mai înalte (TCP sau UDP). Unele mesaje ICMP furnizează erori ce sunt returnate proceselor utilizatorului

168 Mesajele ICMP sunt transmise în cadrul datagramelor IP, aşa cum se vede şi în figura 1.4 Figura 1.4 Mesaj ICMP încapsulat în datagrama IP Este nevoie să facem această diferenţă deoarece, uneori, mesajele de eroare ICMP sunt tratate special. De exemplu, un mesaj de eroare ICMP nu va fi generat niciodată ca răspuns la un alt mesaj de eroare ICMP. (Dacă acest lucru nu ar fi o regulă, ar putea exista scenarii în care o eroare generează altă eroare, care generează alta şi aşa mai departe, indefinit). Când un mesaj de eroare ICMP este transmis, el conţine totdeauna headerul IP şi primii 8 octeţi ai datagramei IP care l-a cauzat. Acest lucru permite modulului ICMP receptor să asocieze mesajul cu un protocol particular (TCP sau UDP specificat în câmpul de protocol din headerul IP) şi cu un anume proces al userului (rezultat din numerele de port TCP sau UDP care sunt conţinute în primii 8 octeţi ai headerului datagramei IP). Cererea ICMP de tip timestamp permite unui sistem să interogheze un alt sistem în ceea ce priveşte timpul curent. Valoarea recomandată pentru a fi returnată este un număr de ordinul milisecundelor de la ora zero UTC (Coordinated Universal Time). (În literatura mai veche UCT este denumit Greenwich Mean Time - GMT). O proprietate importantă a mesajului ICMP este aceea că furnizează o rezoluţie la nivel de milisecundă, în timp ce alte metode pentru obţinerea timpului curent de la un host (cum ar fi comada rdate furnizată de unele sisteme Unix) furnizează o rezoluţie de ordinul secundelor. Inconvenientul acestei metode este faptul că se poate afla numai intervalul de timp între ora curentă şi ora zero, urmând ca data curentă să fie aflată prin alte mijloace Rutere Rutarea constă în transmiterea informaţiei printr-o reţea de la o sursă către o destinaţie. De-a lungul căii parcurse, este întâlnit cel puţin un nod intermediar. Rutarea este adesea în contrast cu funcţia de bridge care aparent realizează acelaşi lucru. Diferenţa principală între cele 2 este aceea că bridging (switching) are loc în cadrul nivelului 2 (Data link layer) al modelului de referinţă OSI, în timp ce rutarea are loc la nivelul 3 (network layer). Această diferenţă constă în utilizarea de informaţie diferită pentru rutare şi respectiv bridging, informaţie necesară în procesul transmiterii pachetelor de la sursă la destinaţie, deci aceste 2 funcţii îşi îndeplinesc rolurile în moduri diferite. Un router dispune de 2 sau mai multe interfeţe de comunicaţie(figura 1.5), conectate la subreţele IP sau la linii de tip punct-la-punct. Cu toate acestea, există cel puţin o interfaţă fizică. Expedierea unei datagrame IP necesită în general ca un router să aleagă interfaţa şi adresa router-ului următor (nexthop) sau (în cazul ultimului router de pe traseu), host-ul destinaţie. Această alegere, (numită

169 relaying ) se face în funcţie de o bază de date care se află pe router conţinând rute. Această bază de date se mai numeşte şi tabelă de rutare. Temenul de router derivă din modul în care se construieşte această bază de date conţinând rute (căi); protocoalele de rutare şi configurare interacţionaeză în cadrul unui proces numit rutare. Figura 1.5 Interconectarea a 2 reţele printr-un router Baza de date conţinând rute trebuie să fie dinamică pentru a reflecta topologia curentă a sistemului de reţele interconectate. În mod normal, un router îndeplineşte acest lucru prin interacţiune cu alte routere pe baza unor algoritmi de rutare. Ruterele furnizează numai transportul de datagrame, şi caută să reducă la minim informaţia de stare necesară efectuării acestui serviciu, avînd ca scop flexibilitatea şi robusteţea rutării. Un sistem autonom (AS) este reţea ce constă dintr-o colecţie de subreţele (avînd ataşate host-uri) interconectate printr-un set de routere. E de preferat ca subreţelele şi routerele să fie sub controlul unei singure organizaţii ce realizează operarea şi administrarea. Într-un sistem autonom, routerele pot folosi unul sau mai multe protocoale de rutare internă, şi câteodată câteva seturi de metrici. Este de aşteptat ca un sistem autonom să dispună de un plan de rutare interioară coerent. Un sistem autonom este identificat cu un număr de sistem autonom. II Bridging cu routere În scopul de a îmbunătăţi performanţele, următoarele performanţe au fost adăugate unor routere: - bridging transparent; - source-route bridging. Bridge-urile transparente se găsesc predominant în reţelele Ethernet, iar source-route bridges (SRBs) se găsesc aproape exclusiv în reţelele Token-Ring. Ambele sunt utilizate pe scară largă

170 2.1. Bridging transparent Bridge-urile transparente au fost mai întâi implementate de Digital Equipment Corporation la începutul anilor Digital a transmis aceste implementări la IEEE care le-a încorporat în standardul IEEE Bridge-urile transparente sunt foarte comune în reţelele Ethernet/IEEE În acest paragraf se face o trecere în revistă a modului în care bridging-ul transparent manipulează traficul şi componentele protocolului. Numele de bridge transparent provine din faptul că prezenţa şi modul de operare al acestuia sunt transparente pentru host-urile din reţea. Când este pornit un bridge tranparent, el învaţă locaţia staţiiilor de lucru prin analizarea adresei MAC sursă a pachetelor pe care le primeşte de la toate reţelele ataşate. De exemplu, dacă un bridge primeşte un pachet pe portul 1 de la Host-ul A, el consideră că Host-ul A se află în segmentul conectat pe portul 1. În timpul acestui proces, bridge-ul transparent construieşte (procesul de învăţare) o tabelă, ca cea din figura de mai jos: Figura 2.1. Bridge-uri transparente: construirea unei tabele cu ajutorul căreia se determină cum pot fi accesate host-urile. Bridge-ul foloseşte această tabelă ca bază în procesul de expediere a traficului. Când este primit un frame pe una din interfeţele bridge-ului, acesta caută adresa destinaţie a frame-ului în tabela sa internă. Dacă tabela conţine o asociere între adresa destinaţie şi unul din porturile bridge-ului în afară de cel pe care a fost primit frame-ul, frame-ul va fi expediat pe acel port. Dacă nu există nici o asociere în tabelă, frame-ul este transmis pe toate porturile (flood ) mai puţin cel pe care a venit. Broadcast-urile şi multicast-urile sunt de asemenea transmise în acest fel. Bridge-urile transparente izolează cu succes traficul intern al unui segment de reţea (intrasegment), reducând astfel traficul pe fiecare segment individual. Acest lucru se numeşte filtrare şi apare atunci când adresa MAC a sursei şi destinaţiei aparţin aceleaşi interfeţe a bridge-ului. Filtrarea îmbunătăţeşte de obicei timpul de răspuns al reţelei, aşa cum este el perceput de utilizator. Volumul

171 cărui trafic este redus şi care timpi de răspuns sunt îmbunătăţiţi depinde de volumul traficului pe intersegmente relativ la traficul total, ca şi de volumul traficului de multicast şi broadcast Bridging de tip Source-Route (Source-Route Bridging - SRB) Algoritmul SRB a fost dezvoltat de IBM şi a fost propus comitetului IEEE ca un mijloc de legătură între LAN-uri. A urmat apoi o nouă propunere de standard a IBM: source-route transparent (SRT) bridging. SRT bridging elimină SRB-ul pur propunând ca implementările ulterioare să se bazeze pe doi algoritmi: bridge transparent şi bridge SRT. Cu toate că SRT s-a bucurat de apreciere şi support, SRB este încă larg răspândit. SRB se numeşte astfel deoarece presupune că ruta completă sursă-destinaţie se află în toate frameurile (pachetele) inter-lan transmise de sursă. SRB stochează şi transmite frame-urile aşa cum este prevăzut în rutele ce au fost stabilite prin procesul numit explorare. Figura următoare ilustrează un model de reţea SRB. Să presupunem că hostul X vrea să transmită un frame către host Y. Iniţial, hostul X nu ştie dacă hostul Y aparţine aceluiaşi LAN sau nu. Pentru a determina acest lucru, hostul X transmite un frame de test. Dacă frame-ul se întoarce la hostul X fără a conţine indicaţia că hostul Y l-a văzut, atunci hostul X va presupune că hostul Y aparţine unui segment aflat la distanţă. Figura 2.2: Reţea SRB conţinând LAN-uri şi bridge-uri

172 Pentru a determina locaţia exactă a hostului Y, hostul X trimite un frame de explorare. Fiecare bridge care primeşte acest frame de explorare (Bridge 1 şi 2 în exemplul nostru) retransmite frameul pe toate porturile sale. Informaţia despre rută este adăugată frame-urilor de explorare cât timp acestea parcurg reţelele interconectate. Când frame-urile de explorare de la hostul X a ajuns la hostul Y, acesta răspunde la fiecare, folosind informaţiile deja acumulate despre rută. După ce a recepţionat toate frame-urile de răspuns, hostul X alege o rută bazându-se pe un anumit criteriu predefinit. În exemplul nostru, acest proces va raporta 2 rute: - LAN 1 Bridge 1 LAN 3 Bridge 3 LAN 2 - LAN 1 Bridge 2 LAN 4 Bridge 4 LAN 2 Hostul X va selecta una din aceste 2 rute. Specificaţiile standardului IEEE nu stabilesc criteriul pe care să îl folosească hostul X în alegerea rutei, dar poate să facă câteva sugestii ca de exemplu: - primul răspuns primit, - răspunsul cu numărul minim de hopuri, - răspunsul cu cea mai mare dimensiune permisă pentru un frame, - combinaţii ale criteriilor de mai sus. În majoritatea cazurilor, ruta conţinută în primul frame primit este cea care va fi folosită. După selectarea rutei, aceasta este inserată în frame-ul destinat hostului Y, în câmpul cu informaţii de rutare (RIF- routing information field). Acest câmp este inclus numai în acele frame-uri destinate altor LAN-uri. Prezenţa informaţiilor privind ruta este indicată prin setarea celui mai semnificant bit în câmpul adresa sursei, care se numeşte bit indicator de informaţii de rutare (RII routing information indicator). II Rutare statică Pentru ca rutarea între router-ele dintre mai multe reţele să fie eficientă, router-ele trebuie să cunoască ID-urile (adresele) celorlalte reţele sau să aibă configurată o rută implicită (default). Între mai multe reţele interconectate, tabelele de rutare trebuie să fie făcute astfel încât traficul să urmeze totdeauna o cale optimă. Felul în care aceste tabele de rutare sunt construite face de fapt diferenţa dintre rutarea statică şi rutarea dinamică. Procesul de rutare în care tabela de rutare se construieşte manual se numeşte rutare statică. Administratorul de reţea, având cunoştinţe despre topologia sistemului reţele interconectate, construieşte manual tabela de rutare a fiecărui router şi o actualizează, scriind toate rutele în aceasta. Rutarea statică funcţioneaza bine pentru puţine reţele intreconectate, dar nu sunt indicate în cazul în care există multe reţele intreconectate sau care se modifică. Router-ele statice nu sunt tolerante la erori. Timpul cât o configuraţie manuală a unui router static este validă este infinit, dar cu toate acestea, rutarea statică nu este indicată şi nu poate rezolva problemele ce apar prin nefuncţionarea unui router sau prin întreruperea unei conexiuni

173 3.1. Carcateristicile router-elor Un router are următoarele funcţii: 1. Lucrează în conformitate cu protocoalelor Internet specifice, IP, ICMP şi alte protocoale. 2. Asigură interfaţa între 2 sau mai multe reţele. Pentru fiecare reţea care este conectată la un router, acesta trebuie să implementeze funcţiile impuse de acea reţea. Aceste funcţii includ de obicei următoarele: - să încapsuleze şi să decapsuleze datagramele IP (de ex. adăugarea şi eliminarea header-ului Ethernet şi a câmpului frame checksum FCS), - să expedieze şi să primească datagrame IP având o dimensiune mai mică decât lungimea maximă suportată de acea reţea. Această lungime maximă poartă numele de Maximum Transmission Unit (MTU), - să translateze adresele IP destinaţie în adrese de nivel reţea potrivite reţelei conectate (de exemplu o adresă hardware Ethernet), dacă acest lucru este necesar, - să cunoască protocolul reţelei de control al fluxului şi indicatorii de eroare, dacă aceştia există. 3. Primeşte şi transmite datagrame Internet. O importantă carcateristică a acestui proces este gestionarea buffer-ului, controlul congestiilor de trafic şi prioritizarea. - să recunoscă condiţiile de eroare şi să genereze erori ICMP şi mesaje de informaţii suplimentare dacă este cazul, - să elimine datagramele al căror timp de viaţă a devenit zero. - să fragmenteze datagramele atunci când este cazul pentru a se încadra în MTU-ul reţelei în care trebuie transmise, 4. Alege destinaţia următoare pentru fiecare datagramă IP, pe baza informaţiilor (rutelor) din baza sa de date. 5. (de obicei) Suportă un protocol de rutare dinamică de tip interior (Interior Gateway Protocol IGP) pentru a asigura rutarea dinamică şi a comunica cu alte router-e care fac parte din acelaşi sistem autonom (AS). 6. Asigură metode de gestionare a reţelei şi facilităţi pentru suport al sistemului, incluzând încărcarea, raportări de stare, raportări de excepţii şi control Tabela de rutare Router-ele sunt cele care asigură rutarea datelor între reţele, dar, decizii privind rutarea trebuie luate de către toate dispozitivele de reţea (host-uri şi router-e). Pentru cele mai multe host-uri, decizia de rutare este simplă: - dacă host-ul destinaţie se află în reţeaua locală, pachetul este transmis către hostul destinaţie, - dacă host-ul destinaţie aparţine unei reţele aflate la distanţă, pachetul este transmis router-ului prin care se iese din reţeaua locală. Deoarece dirijarea traficului (rutarea) se face la nivel de reţea, modulul IP ia deciziile de rutare ţinând cont doar de partea din adresa destinaţie care reprezintă adresa de reţea. IP determină ce parte din adresă reprezintă adresa de reţea prin aplicarea unei măşti de reţea adresei (se efectuează operaţia logică AND între adresă şi mască). Dacă reţeaua destinaţie este chiar reţeaua locală, masca

174 ce se aplică poate fi masca subreţelei locale. Dacă pentru adresa respectivă nu există nici o mască, clasa de adrese din care face parte adresa va determina porţiunea care reprezintă adresa reţelei. După detreminarea adresei reţelei destinaţie, modulul IP caută acea adresă de reţea în tabela de rutare locală. Pachetele sunt rutate către destinaţia lor aşa cum este prevăzut în tabela de rutare. Tabela de rutare poate fi construită de administratorul de reţea sau prin protocoalele de rutare dinamică, dar rezultatul final este acelaşi; IP ia decizia de rutare în conformitate cu tabela de rutare. O tabelă de rutare are următoarele câmpuri: Destination (destinaţie) reţeaua destinaţia (sau host-ul destinaţie) Gateway - Gateway-ul care va folosit pentru transmiterea pachetului spre destinaţia specificată. Flags - Aceşti indicatori descriu anumite carcateristici ale rutei alese. Valorile posibile sunt: U - Indică dacă acea rută este up şi operaţională. H - Indică faptul că acea rută este către un anumit host (majoritatea rutelor sunt către reţele). G - Arată faptul că ruta trece printr-un gateway. Interfeţele router-ului asigură rute către reţelele direct conectate la acestea. Toate celelelate rute folosesc gateway-uri aflate la distanţă. În cazul rutelor către reţelele direct conectate, flagul G nu este setat; pentru toate celelalte rute este setat. D - Arată faptul că ruta respectivă a fost adăugată în urma unui mesaj ICMP de redirecţionare. Când un sistem află despre o rută printr-un mesaj ICMP de redirecţionare, adaugă această rută în tabela sa, astfel încât pachetele către acea destinaţie nu trebuie să fie redirecţionate. Sistemul foloseşte flagul D pentru a marca aceste rute. Ref - Arată de câte ori va încerca routerul să stabilească o conexiune. Use - Numărul de pachete transmise prin routerul respectiv. Interface - Numele interfeţei de reţea ce este folosită de către o anumită rută. Tabela de rutare a unui host: Destination Netmask Gateway Flags Ref Use Interface UH eth U eth UG Default UG Prima linie din tabelă este o rută de tip loopback a hostului local. Acestă adresă de loopback este rezervată. Pentru că fiecare sistem foloseşte rute de loopback pentru a-şi trimite datagrame, aceste

175 linii apar în toate tabelele de rutare ale hosturilor. Flagul H este setat deoarece este vorba de ruta către un anumit host ( ) şi nu ruta către întreaga reţea ( ) Altă linie unică în tabela de rutare este intrarea ce conţine cuvântul default în câmpul detinaţiei. Această linie este pentru ruta default, iar gateway-ul specifiact în această linie, este gateway-ul implicit (default). Ruta default este un număr de reţea rezervat: Gateway-ul default este folosit ori de câte ori în tabela de rutare nu se găseşte nici o rută către o anumită adresă de reţea destinaţie. De exemplu, tabela de rutare de mai sus nu are nici o rută către reţeaua Dacă router-ul primeşte o datagramă adresată acestei reţele, va trimite datagrama către gateway-ul Din tabela de mai sus se poate vedea că acest host este direct conectat la reţeaua Ruta către acestă reţea din tabela de rutare nu specifică folosirea unui gateway extern, adică, în tabela de rutare pentru ruta spre nu este setat flagul G. În consecinţă, acest calculator trebuie să fie direct conectat la această reţea. Toate gateway-urile ce apar într-o tabelă de rutare sunt în reţelele direct conectate la sistemul local. În exemplul de mai sus, acest lucru înseamnă că în afara adreselor destinaţie, toate adresele de gateway încep cu Aceasta este singura reţea la care calculatorul respectiv este direct conectat, si în consecinţă este singura reţea către care poate trimite date în mod direct. Gatewayurile pe care acest calculator le va folosi pentru a comunica cu restul Internetului trebuie să fie în subreţeaua sa. În figura 3.1 nivelul IP al fiecărui host şi gateway dintr-o reaţea imaginară este înlocuit cu o mică parte din tabela de rutare, în care se văd reţelele destinaţie şi gateway-urile folosite pentru comunicarea cu aceste destinaţii. Când hostul sursă ( ) trimite date către hostul destinaţie ( ), trebuie mai întâi să determine dacă adresa acestuia se află între adresele reţelei locale şi să aplice masca de subreţea AND = După aplicarea măştii de subreţea, IP va şti că adresa reţelei destinaţie este Conform tabelei de rutare a hostului sursă, datele către trebuie trimise către gateway-ul Gateway-ul va face livrarea direct prin intrefaţa Examinând tabelel de rutare se observă că toate sistemele afişează numai gateway-urile reţelelor la care sunt direct conectate. De remarcat că este gateway-ul default şi pentru şi pentru Dar pentru că nu e conectat direct cu reţeaua , are un alt gateway pentru ruta default

176 Figura 3.1: Procesul de rutare O tabelă de rutare nu conţine rute de tip end-to-end (nu descrie toată calea de la sursă la destinaţie). De-a lungul căii către reţeaua destinaţie, rutele conţin indicaţii referitoare numai la gateway-ul următor, numit next hop. În vederea transmiterii datelor, un host se bazează pe gateway-ul local, iar un gateway se bazează pe alte gateway-uri. Deoarece o datagramă este transferată de la un gateway la altul, ar trebui eventual să ajungă în final la un gateway conectat direct la reţeaua destinaţie. Acesta este este gateway-ul final care va livra datele către hostul destinaţie. II Rutare dinamică Rutare dinamică are loc atunci când router-ele discută cu router-ele adiacente informându-se reciproc asupra reţelelor la care este conectat fiecare dintre ele. Router-ele trebuie să comunice folosind un protocol de rutare. Într-un sistem cum este Internetul sunt folosite diverse protocoale de rutare. Internetul este organizat sub forma unei colecţii de sisteme autonome (Automonous System- AS), fiecare fiind administrat de către o singură organizaţie. De multe ori, o corporaţie sau un campus universitar definesc un sistem autonom. De exemplu, backbone-ul NSFNET formează un sistem autonom, deoarece toate rutele din acest backbone se află sub un control administrativ unic. În cadrul fiecărui sistem autonom poate fi selectat propriul protocol de rutare ce asigură comunicaţia între router-ele din cadrul respectivului AS. Acesta este numit interior gateway protocol (IGP) sau intradomain routing protocol. Cel mai popular IGP a fost Routing Information Protocol (RIP). Un protocol de tip IGP mai nou este Open Shortest Path First

177 (OSPF). Acesta a fost dezvoltat cu intenţia de a înlocui protocolul RIP. În prezent, în Internet sunt utilizate ambele protocoale în funcţie de condiţiile specifice ale fiecărui AS. O altă categorie de protocoale de rutare este Exterior Gateway Protocols (EGP) sau Interdomain Routing Protocol. Aceste protocoale sunt utilizate pentru comunicaţia între router-e aparţinând unor AS-uri diferite. Din punct de vedere istoric, protocolul de tip EGP predominant a fost protocolul cu acelaşi nume: EGP (lucru ce poate da naştere uneori la confuzii). Un protocol de tip EGP mai nou este Border Gateway Protocol (BGP) ce a fost dezvoltat cu intenţia de a înlocui EGP (lucru care s-a produs în mare măsură). Succesul unei rutări dinamice depinde de 2 funcţii de bază ale unui router: - actualizarea tabelei de rutare, - distribuirea periodică a cunoştinţelor către alte router-e sub forma informaţiilor de rutare actualizate. Rutarea dinamică se bazează pe un protocol de rutare în vederea partajării informaţiilor între routere. Un protocol de rutare defineşte un set de reguli folosit de un router pentru a comunica cu routerele vecine. De exemplu, un protocol de rutare descrie: - cum să se transmită actualizările, - ce informaţie este conţinută în aceste actualizări, - când să se transmită această informaţie, - cum să fie localizaţi destinatarii actualizărilor. Atunci când un algoritm de rutare actualizează o tabelă de rutare, obiectivul principal este de a determina cea mai bună informaţie ce trebuie inclusă în tabela de rutare. Fiecare algoritm de rutare interpretează acest lucru în mod propriu. Algoritmul generează un număr, numit metrică, pentru fiecare cale prin reţea. De obicei, cu cât valoarea metricei este mai mică cu atât calea corespunzătoare este mai bună. Algoritmii de rutare folosesc diverse metrici în vederea determinării rutei optime. Algoritmii de rutare complecşi pot utiliza mai multe metrici în vederea selectării rutei optime, combinând aceste metrici într-o metrică hibridă. Exemplu de metrici folosite: - lungimea căii (numărul de hop-uri), - fiabilitatea, - întârzierea, - capacitatea de trafic, - încărcarea, - costul comunicaţiei. Lungimea căii este metrica cea mai des folosită. Unii algoritmi de rutare permit administratorilor de reţea să asigneze costuri arbitrare fiecărei conexiuni din reţea. În acest caz, lungimea căii este suma costurilor asociate fiecărei conexiuni ce este traversată. Alte protocoale de rutare definesc metrica hop count (numărul de hop-uri) ce specifică numărul de treceri prin echipamente de intreconectare de reţele (cum ar fi router-ele) pe care un pachet trebuie să le realizeze în drumul său de la sursă până la destinaţie. Fiabilitatea, în contextul algoritmilor de rutare se referă la rata de biţi eronaţi a fiecărei conexiuni de reţea. Unele conexiuni pot avea întreruperi mai des decât altele. După o întrerupere a unei conexiuni, timpul de repunere în funcţiune a acesteia poate fi mai mic decât în cazul altei conexiuni

178 În vederea asignării valorii corespunzătoare fiabilităţii fiecărei conexiuni, pot fi luaţi în calcul orice factori ce influenţează fiabilitatea. Aceste valori sunt de tip numeric şi sunt asignate de către administratorii de reţea. Întârzierea se referă la perioada de timp necesară pentru transferul unui pachet de la sursă la destinaţie. Întârzierea depinde de mulţi factori, incluzând capacitatea de trafic a conexiunilor intremediare, cozile de aşteptare la fiecare router prin care trec pachetele, congestia unor conexiuni intermediare şi distanţa fizică ce trebuie parcursă. Deoarece întârzierea cumulează câteva variabile importante, este o metrică foarte utilizată şi utilă. O caracteristică a oricărei conexiuni o reprezintă capacitatea de trafic disponibilă. Dacă ceilalţi factori sunt echivalenţi, atunci o conexiune Ethernet de 10Mbps este de preferat unei conexiuni pe linie telefonică închiriată de 64Kbps. Deşi capacitatea de trafic depinde de debitul maxim al unei conexiuni, rutele prin conexiuni cu capacitate de trafic mai mare nu sunt neapărat mai bune decât rutele prin conexiuni mai lente. De exemplu, în cazul în care o conexiune mai rapidă este foarte încărcată, timpul necesar pentru transmiterea unui pachet prin acestă conexiune poate fi mai mare decât în cazul utilizării unei conexiuni cu o capacitate de trafic mai mică, dar lipsită de încărcare. Încărcarea reprezintă gradul de ocupare a unei resurse de reţea (cum ar fi router-ul). Încărcarea poate fi calculată în diverse moduri, cum ar fi gradul de utilizare al CPU sau numărul de pachete prelucrate pe secundă. Monitorizarea continuă a acestor parametrii poate duce ea însăşi la creşterea încărcării. Costul comunicaţiei este o altă metrică importantă, în special din cauza faptului că unele companii acordă mai puţină importanţă performanţelor decât costurilor de operare. Cu toate că întârzierile pot fi mai mari, aceştia preferă să utilizeze propriile linii de comunicaţii în locul liniilor publice pentru care se plăteşte în funcţie de durata utilizării acestora. Majoritatea algoritmilor de rutare pot fi încadraţi într-una din următoarele categorii: - distance vector (vector distanţă), - link state (starea conexiunii). Algoritmii de rutare de tip distance vector determină direcţia (vectorul) şi distanţa către oricare conexiune din reţea. Algoritmii de tip link state (numiţi de asemenea shortest path first întâi calea cea mai scurtă) recreează topologia exactă a întregii reţele (sau cel puţin a porţiunii din reţea în care se află situat router-ul). Algoritmii de rutare hibrizi combină aspecte ale celor 2 tipuri de algoritmi menţionaţi anterior. Algoritmul de rutare este fundamental pentru rutarea dinamică. De câte ori o topologie a unei reţele se modifică din cauza extinderii, reconfigurării sau defecţiunilor, baza de informaţii referitoare la reţea trebuie de asemenea modificată. Informaţiile trebuie să reflecte o proiecţie clară şi consistentă a noii topologii. Această proiecţie este numită convergenţă. Când toate router-ele dintr-o reţea operează cu aceeaşi bază de informaţii se spune că reţeaua este convergentă. O caracteristică dorită pentru orice reţea o reprezintă convergenţa rapidă a acesteia, deoarece acesta reduce perioada de timp în care router-ele ar putea lua decizii incorecte

179 4.1. Protocoale de rutare de tip distance vector Algoritmul fundamental bazat pe vectorul distanţă încearcă să rezolve problema alegerii căii către o anumită destinaţie folosind cel mai mic număr posibil de hop-uri. Se consideră un hop orice trecere printr-un nod. Astfel, în reţeaua din exemplul de mai jos, distanţa de la router-ul A la reţeaua D este 3. Figura 4.1 Distanţa de la un router la destinaţie Problema devine mai interesantă în cazul în care reţeaua nu se întinde de-a lungul unei linii. De exemplu, distanţa dintre router-ul A şi reţeaua D în exemplul următor de reţea (fig. 4.2) poate fi 3, 4, 5 sau 6. Figura 4.2 Calea cea mai scurtă În acest exemplu, calea care este de dorit a fi urmată este de la A la B apoi la C şi apoi la D. Găsirea acestei căi este asigurată de algoritmii Bellman-Ford sau Dijkstra. Apoi, fiecare nod din reţea va fi înştiinţat de calea cea mai scurtă de la el însuşi la fiecare din celelalte noduri ale reţelei. Există mai multe moduri de abordare a problemei de găsire a celei mai scurte căi. O metodă utilă de clasificare a acestor abordări este pe baza tipului de informaţii necesare a fi schimbate între gateway-uri pentru ca acestea să fie capabile să găsească aceste rute. Algoritmii bazaţi pe vectorul distanţă se bazează pe schimbul unei cantităţi mici de informaţii. Fiecare entitate (gateway sau host) care participă la acest protocol de rutare se presupune că păstrează informaţii despre toate destinaţiile din interiorul sistemului. În general, informaţia despre toate destinaţiile posibile dintr-o

180 reţea se rezumă la o singură intrare, care descrie ruta către toate destinaţiile din acea reţea. Acest lucru este posibil deoarece atât timp cât rutarea se face la nivel IP, rutarea în interiorul unei reţele este invizibilă. Fiecare linie (intrare) din tabela de rutare include gateway-ul următor către care datagramele destinate unei alte reţele vor trebui trimise. În plus, mai este trecută şi o măsură metrică a distanţei către destinaţie. Această distanţă este oarecum un concept generalizat, care poate caracteriza întârzierea în trimiterea mesajelor către acea entitate, costul trimiterii mesajului, etc. Algoritmii bazaţi pe vectorul distanţă sunt numiţi astfel din cauza faptului că e posibil să găsească o cale optimă atunci când singura informaţie schimbată este lista cu aceste distanţe. Mai mult decât atât, informaţia este schimbată între entităţi adiacente, adică entităţi care aparţin aceleeaşi reţele RIP: Protocolul bazat pe informaţii de rutare RIP este un protocol dintr-o serie de protocoale de rutare bazate pe algoritmul Bellman-Ford (sau vectorul distanţă). Acest algoritm a fost folosit pentru aflarea rutelor în reţelele de calculatoare încă de la începutul ARPANET-ului. Acest protocol este mai util ca protocol de gateway interior. Într-o reţea vastă, aşa cum este Internetul, ar fi dezavantajos să fie folosit un singur protocol de rutare. Mai curând, reţeaua ar trebui să fie organizată ca o colecţie de sisteme autonome. Un sistem autonom este în general administrat de o singură entitate (organizaţie), sau cel puţin de către cineva cu competenţe rezonabile pentru controlul administrativ şi tehnic. Fiecare sistem autonom va avea propria tehnologie de rutare. Acestă tehnologie poate fi diferită de la un sistem autonom la altul. Protocolul de rutare folosit în cadrul unui sistem autonom este un protocol tip interior sau IGP (Interior Gateway Protocol). Un alt tip de protocol este folosit pentru interfaţa dintre sistemele autonome. Cel mai vechi astfel de protocol şi care mai este încă folosit în Intrenet este EGP (Exterior Gateway Protocol - protocol de tip exterior). Acest tip de protocoale se mai numesc protocoale de rutare inter-as. RIP a fost dezvoltat pentru reţele de dimensiuni moderate şi care folosesc tehnologii omogene. El este potrivit ca IGP pentru campusuri şi reţele regionale ce folosesc linii seriale a căror viteză nu variază foarte mult. Nu este recomandat a fi utilzat în medii mai complexe. RIP face parte din clasa de algoritmi numită algoritmi bazaţi pe vector distanţă. Cea mai veche descriere a acestei clase de algoritmi de către autori cunoscuţi este aceea făcută de Ford şi Fulkerson. Din această cauză mai sunt numiţi şi algoritmi Ford-Fulkerson. Termenul Bellman-Ford este de asemenea utilizat, deoarece aceşti algoritmi folosesc ecuaţia Bellman, ecuaţie care este baza programării dinamice. RIP a fost dezvoltat pentru a fi folosit în Internet. Intrenetul constă dintr-un număr de reţele conectate prin gateway-uri. Reţelele componente pot fi cu legături de tip point-to-point fie reţele mai complexe cum sunt Ethernet sau ARPANET. Hosturile şi gateway-urile oferă datagrame IP adresate unui anumit host. Rutarea este metoda prin care host-ul sau gateway-ul decide unde anume trimite datagramele. E posibil să poată trimite datagrama direct către destinaţie, dacă acestă destinaţie este în reţeaua la care este direct conectat host-ul sau gateway-ul. Interesantă este situaţia în care destinaţia nu poate fi atinsă în mod direct. În acestă situaţie, host-ul sau gateway-ul încearcă

181 să trimită datagrama la un gateway care se află cât mai aproape de destinaţie. Scopul unui protocol de rutare este deci foarte simplu: furnizarea informaţiei necesare în vederea rutării Limitările protocolului Acest protocol nu rezolvă toate problemele posibile de rutare. Aşa cum am menţionat mai sus, intenţia primară a fost pentru folosirea acestuia ca IGP în reţele de dimensiuni mici şi relativ omogene. Trebuie menţionate în plus următoarele limitări ale acestuia: Protocolul este limitat pentru reţele a căror cea mai lungă rută (cale) are 15 hopuri. Acest protocol, prin modul în care a fost proiectat, nu este potrivit pentru reţele mai mari. De remarcat că acestă afirmaţie referitoare la limită presupune că pentru fiecare conexiune este folosit un cost de valoare 1. Aceasta este metoda prin care RIP-ul este configurat în mod normal. Dacă administratorul de sistem alege să utilizeze costuri mai mari, limita superioară de 15 devine o problemă. Acest protocol se bazează pe numărarea la infinit pentru rezolvarea anumitor situaţii speciale. (Acest lucru va fi explicat în capitolul următor). Dacă sistemul de reţele cuprinde câteva sute de reţele şi se formează o buclă de rutare, rezolvarea acestei bucle va necesita mult timp (dacă frecvenţa actualizărilor de rute este limitată) sau lărgime de bandă mare. O astfel de buclă va consuma mult din lărgimea de bandă a reţelei înainte ca bucla să fie corectată. Se presupune că în situaţiile reale aceasta nu va fi o problemă cu excepţia cazurilor în care sunt folosite linii lente. Chiar şi aşa, problema va fi una specială, atâta timp cât sunt luate diferite precauţii pentru prevenirea unor astfel de probleme în majoritatea cazurilor. Acest protocol foloseşte metrice fixe pentru compararea rutelor alternative. Acest lucru nu este potrivit pentru cazurile în care rutele trebuie să fie alese ţinând cont de parametrii de timp real, cum ar fi întârzierea, fiabilitatea sau încărcarea Specificaţiile protocolului RIP permite host-urilor şi gateway-urilor să schimbe informaţii pentru a putea găsi rute într-o reţea bazată pe IP. RIP este protocol bazat pe vectorul distanţă (de tip distance vector ). Poate fi implementat şi de host şi de gateway. Ca în majoritatea documentaţiilor IP, termenul de host va fi folosit aici pentru a le defini pe oricare dintre ele. RIP este folosit pentru a comunica informaţii cu privire la rute către destinaţii, care pot fi host-uri individuale, reţele, o destinaţie specială folosită pentru a comunica o rută implicită (default). Orice host care foloseşte RIP este de aşteptat să aibă interfeţe către una sau mai multe reţele. Acestea sunt referite ca reţele direct conectate la el. Protocolul se bazează pe accesul la anumite informaţii despre fiecare din aceste reţele. Cea mai importantă este metrica sau costul. Metrica unei reţele este un număr întreg între 1 şi 15 inclusiv. El este setat într-o anumită manieră care nu este specificată în acest protocol. Cele mai multe din implementările existente folosesc o metrică de valoare 1. Implementările mai noi permit administratorului de sistem să seteze costul pentru fiecare reţea. În plus faţă de cost, fiecare reţea va avea o adresă IP de reţea şi o mască de subreţea asociată. Acestea sunt setate de către administrator într-o manieră nespecificată de acest protocol. Se presupune că există o singură mască de subreţea ce se aplică pentru fiecare reţea IP, şi o singură mască de subreţea pentru reţelele direct conectate. Există sisteme ce folosesc măşti de subreţea diferite pentru subreţele diferite aparţinând unei anumite reţele. De asemenea, există situaţii în care

182 este de preferat pentru un sistem să cunoască măştile subreţelelor aparţinând unor reţele aflate la distanţă. Astfel de situaţii necesită modificări ale regulilor ce guvernează modul de răspândire a informaţiilor de subreţea. Astfel de modificări cresc posibilităţile de interoperabilitate şi trebuie avute în vedere ca modificări ale protocolului. Se consideră că fiecare host care are implementat RIP are o tabelă de rutare. Această tabelă conţine câte o intrare (linie), descrisă prin RIP, pentru fiecare destinaţie care poate fi atinsă. Fiecare intrare conţine cel puţin informaţiile următoare: Adresa IP a destinaţiei O metrică, ce reprezintă costul total al transmiterii datagramei de la host la acea destinaţie. Acestă metrică este suma costurilor associate cu reţelele care vor fi traversate în drumul până la destinaţie. Adresa IP a gateway-ului următor de-a lungul căii către destinaţie. Dacă destinaţia este în una dintre reţelele direct conectate, această informaţie nu este necesară. Un flag care indică dacă acea informaţie privind ruta a fost modificată recent. Se mai numeşte "route change flag." Diferiţi timpi asociaţi cu ruta respectivă. Intrările referitoare la reţelele direct conectate sunt setate de către host, folosind diverse informaţii culese, nespecificate în acest protocol. Metrica pentru o reţea direct conectată este setată la costul acelei reţele. În implementările RIP existente, pentru acest cost este folosită totdeauna valoarea 1. În acest caz, metrica RIP se reduce la o simplă numărare de hop-uri. Metrici mai complexe pot fi folosite atunci când se doreşte evidenţierea preferinţei pentru o anumită reţea faţă de altele, de exemplu din cauza diferenţelor privind lărgimea de bandă sau siguranţa acelei reţele. Exsită de asemenea posibilitatea de a permite administratorului de sistem să adauge rute adiţionale. Rutele către alte destinaţii decât cele iniţiale sunt adăugate şi updatate de algoritmii descrişi în capitolele următoare. Pentru ca un protocol să asigure informaţii de rutare complete, fiecare gateway din system trebuie să participe la aceasta. Host-urile care nu sunt gateway-uri nu participă, dar multe implementări ale acestui algoritm permit host-urilor să recepţioneze informaţiile transmise prin RIP pentru a-şi actualiza tabelele de rutare Formatul mesajului RIP este un protocol bazat pe UDP. Fiecare host care foloseşte RIP are un process de rutare care trimte şi primeşte datagrame pe portul UDP cu numărul 520. Toate mesajele transmise prin RIP către un alt host, sunt trimise către portul 520. Toate mesajele de actualizare de rute sunt trimise pe portul 520. Mesajele de actualizare de rute nesolicitate au ambele porturi sursă şi destinaţie, 520. Ceea ce se trimite ca răspuns la o cerere se trimite către portul de la care a venit cererea. Interogările specifice şi mesajele de tip debug trebuie să fie trimise de la alte porturi decât 520, dar ele vor fi direcţionate către portul 520 al maşinii ţintă

183 Figura 4.3. Formatul pachetului (RIP versiunea 1) Formatul pachetului este evidenţiat în figura 4.3. Porţiunea din datagramă de la address family identifier până la metric poate apărea de până la 25 de ori. Adresa IP (IP address) este adresa Internet obişnuită (versiunea 4) pe 32 de biţi. În protocol este prevăzută şi facilitatea de a permite procese RIP în starea de ascultare "silent RIP". Un process silent este unul care în mod normal nu trimite nici un mesaj. Cu toate acestea, el ascultă mesajele trimise de alte procese. Un silent RIP poate fi folosit de host-uri care nu funcţionează ca gateway-uri, dar care doresc să asculte actualizările privind rutele în vederea monitorizării gatewayurilor locale şi a actualizării tabelelor de rutare interne. Un gateway care a pierdut legătura cu toate celelalte mai puţin cu una din reţelele sale, poate alege să devină de tip silent, moment din care el nu mai este efectiv gateway. Oricum, acest lucru nu se va întâmpla dacă există posibilitatea ca gateway-urile vecine să depindă de mesajele sale pentru a detecta dacă reţeaua căzută va redeveni operaţională. Fiecare datagramă conţine o comandă, un număr de versiune şi posbil argumente. Mai jos este descrisă versiunea 1 a acestui protocol. Câmpul command este folosit pentru a specifica scopul datagramei. În tabelul de mai jos sunt prezentate câteva comenzi implementate în versiunea 1: 1 - request O cerere ca sistemul repondent să transmită o parte sau întreaga tabelă de rutare. 2 - response Un mesaj ce conţine toată sau numai o parte din tabela de rutare a expeditorului. Acest mesaj poate fi trimis ca răspuns la o cerere (request), sau poate fi un mesaj de actualizare generat de expeditor. 3 - traceon Învechit. Mesajele conţinând această comandă vor fi ignorate. 4 - traceoff Învechit. Mesajele conţinând această comandă vor fi ignorate

184 5 - reserved Această valoare este folosită de Sun Microsystems pentru scopuri personale. Dacă noi comenzi sunt adăugate în oricare din versiunile următoare, acestea trebuie să înceapă cu 6. Mesajele conţinând această comandă pot fi ignorate de implementările care aleg să nu răspundă la ele. Pentru cerere şi răspuns, restul datagramei conţine o listă de destinaţii cu informaţii despre fiecare. Fiecare intrare din această listă conţine o reţea sau un host destinaţie şi metrica pentru ele. Formatul pachetului este făcut pentru a permite RIP să transporte informaţii de rutare pentru câteva protocoale diferite. Astfel, fiecare intrare are un câmp address family identifier pentru a indica ce tip de adresă este specificată în intrarea respectivă. Acest curs descrie numai rutarea în cazul reţelelor IP. Valoarea address family identifier pentru IP este 2. Totuşi, pentru a permite dezvoltarea ulterioară, implementările sunt obligate să ignore intrările care conţin tipuri de adrese ce nu sunt suportate. (Dimensiunea acestor intrări trebuie să fie aceeaşi ca dimensiunea unei intrări ce specifică o adresă IP). Procesarea mesajului continuă în mod normal după ce au fost ignorate toate intrările ce nu sunt suportate. Adresa IP este adresa Internet obişnuită, memorată pe 4 octeţi. Câmpul metrică trebuie să conţină o valoare cuprinsă între 1 şi 15 inclusiv, prin care se specifică metrica curentă pentru destinaţie, sau valoarea 16, ceea ce va indica faptul că destinaţia nu poate fi atinsă. Fiecare rută trimisă de un gateway suprascrie orice rută anterioară trimisă de la acelaşi gateway către aceeaşi destinaţie. Dimensiunea maximă a datagramei este 512 octeţi. Aceştia includ numai porţiunea din datagramă descrisă mai sus. Nu este contorizată şi dimensiunea header-ului IP sau UDP. Comenzile ce conţin informaţii de reţea permit informaţiilor să fie împărţite în mai multe datagrame. Nu sunt necesare măsuri speciale pentru continuare, atâta timp cât se obţin rezultate corecte în urma procesării individuale a datagramelor. Formatul pachetului RIP 2 Specificaţia pentru RIP 2 (descrisă în RFC 1723) permite includerea multor informaţii în pachetele RIP şi asigură un mecanism de autentificare simplu care nu este suportat de către RIP. Figura 4.4 reprezintă formatul pachetului IP RIP 2. 1-octet command field 1-octet version number field 2-octet unused field 2-octet AFI field 2-octet route tag field 4-octet network address field 4-octet subnet mask field 4-octet next hop field 4-octet metric field Figura 4.4 Formatul pachetului RIP 2 Câmpurile ce alcătuiesc pachetul IP RIP 2 din figura de mai sus sunt următoarele: Command Indică dacă pachetul este un pachet cerere sau un pachet răspuns. Un pachet de tip cerere întreabă dacă un router a trimis o parte sau toată tabela sa de rutare. Un pachet de tip răspuns poate fi un mesaj de actualizare de rute obişnuit nesolicitat sau poate fi un răspuns la o cerere. Răspunsurile conţin linii ale tabelei de rutare. Pachetele RIP multiple sunt folosite pentru a aduna informaţii din tabele mari de rutare

185 Version Specifică versiunea de RIP folosită. Într-un pachet RIP ce conţine oricare din câmpurile RIP 2 sau foloseşte autentificare, această valoare este setată la 2. Unused Setat 0. Address-family identifier (AFI) Specifică ce familie de adrese este folosită. Câmpul AFI din RIPv2 are acelaşi rol ca şi câmpul AFI din RFC 1058 RIP, cu o singură excepţie: dacă AFI pentru prima linie din mesaj este 0xFFFF, restul liniei conţine informaţii de autentificare. În mod obişnuit, singurul tip de autentificare este o simplă parolă. Route tag Asigură metoda de a face diferenţa dintre rutele interne (învăţate de RIP) şi rutele externe (învăţate de la alte protocoale) IP address Specifică adresa IP corespunzătoare liniei. Subnet mask Conţine masca de subreţea corespunzătoare acestei linii. Dacă acest câmp este 0, nici o mască de subreţea nu este specificată pentru linia respectivă. Next hop Indică adresa IP a următorului hop către care trebuie trimise pachetele corespunzătoare acelei linii. Metric Specifică câte hopuri (router-e) sunt traversate în drumul spre destinaţie. Valoarea pentru acest câmp este cuprinsă între 1 şi 15 pentru rutele valide şi este 16 pentru o rută necunoscută Consideraţii privind adresarea Aşa cum am stabilit anterior, rutarea bazată pe vectorul distanţă este folosită pentru a descrie rute spre host-uri individuale sau spre reţele. Protocolul RIP permite oricare din cele 2 variante. Destinaţiile ce apar în mesaje de cerere sau de răspuns pot fi reţele, host-uri sau un cod special folosit pentru a indica ruta implicită (default). În general, tipul de rută folosit va depinde de strategia de rutare utilizată pentru o reţea particulară. Multe reţele sunt configurate astfel încât aceste informaţii de rutare pentru host-uri individuale nu sunt necesare. Dacă fiecare host dintr-o anumită reţea sau subreţea este accesibil prin intermediul aceluiaşi gateway, atunci nu este nici un motiv pentru a menţiona host-urile individuale în tabelele de rutare. Cu toate acestea, reţelele care includ linii de comunicaţie punct la punct, necesită câteodată ca gateway-urile să păstreze rute către anumite host-uri. Dacă acest lucru este cerut sau nu, depinde de modul de adresare şi de rutare folosit în sistemul respectiv. Astfel, unele implementări pot alege să nu accepte rute către host-uri. Dacă nu sunt acceptate rute către host-uri, acestea vor fi ignorate atunci când sunt primite în mesajele de răspuns. Formatele pachetului RIP nu fac deosebire între diferitele tipuri de adrese. Câmpurile care au eticheta address pot conţine: Adresa hostului - host address Adresa subreţelei - subnet number Adresa reţelei - network number 0, indicând ruta implicită (default) Entităţile care folosesc RIP utilizează informaţiile specifice ce sunt disponibile când rutează o datagramă. Aceasta înseamnă că, atunci când are loc rutarea unei datagrame, adresa sa destinaţie

186 trebuie mai întâi verificată în lista de adrese de hosturi. Apoi se verifică dacă se potriveşte cu vreo adresă de reţea sau subreţea. În final, dacă nu există nici o potrivire, se va folosi ruta default. Când un host evaluează informaţiile primite prin RIP, interpretarea unei adrese depinde dacă se cunoaşte masca de subreţea ce trebuie aplicată. Dacă se cunoaşte masca de subreţea atunci se poate determina semnificaţia adresei respective. De exemplu, fie reţeaua Masca de subreţea este Astfel, este o adresă de reţea, este o adresă de subreţea şi este adresa unui host. Cu toate acestea, dacă host-ul nu cunoaşte masca de subreţea, determinarea unei adrese poate fi ambiguă. Deoarece dacă într-o adresă există o parte diferită de 0 pentru host, nu este o metodă clară pentru a determina dacă adresa reprezintă un număr de subreţea sau o adresă de host. Aşa cum adresa de reţea nu este de folos fără masca de subreţea, se presupune că în această situaţie adresele reprezintă host-uri. Pentru a evita acest gen de ambiguităţi, host-urile nu trebuie să trimită rute de subreţele host-urilor care se ştie că nu cunosc măşti potrivite de subreţele. În mod normal, host-urile cunosc numai măşti de subreţea pentru reţelele direct conectate. De aceea, mai puţin în situaţia în care s-a prevăzut acest lucru, nu trebuie trimise rute către subreţele în afara reţelei din care face parte subreţeaua respectivă. Această filtrare este asigurată de gateway-urile aflate la graniţa reţelei de subreţele. Acestea sunt gateway-uri ce conectează reţeaua cu alte reţele. În această reţea de subreţele, fiecare subreţea este tratată ca o reţea individuală. Rutele către fiecare subreţea sunt transportate de către RIP. Cu toate acestea, gateway-urile de graniţă trimit numai o intrare (rută) pentru reţea ca şi pentru toate hosturile din alte reţele. Acest lucru înseamnă că un gateway de graniţă va trimite informaţii diferite către vecini diferiţi. Pentru vecinii conectaţi la reţeaua de subreţele, va fi generată o listă cu toate subreţelele la care acesta este direct conectat, folosind adresa de subreţea. Pentru vecinii conectaţi la alte reţele, va fi trimisă o singură intrare (rută) pentru reţea ca un tot, arătând şi metrica asociată acestei reţele. (Această metrică ar trebui să fie cea mai mică metrică pentru subreţelele la care gateway-ul este conectat). În mod asemănător, gateway-urile de graniţă nu trebuie să menţioneze în mesajele către alte reţele, rutele către host-uri pentru host-urile ce aparţin unei reţele direct conectate. Acele rute trebuie să fie subsumate într-o singură intrare (rută) către reţea ca întreg. Nu am specificat ce se întâmplă cu rutele către host-uri pentru host-urile aflate la distanţă (adică host-uri ce nu fac parte din reţelele direct conectate). În general, aceste rute indică anumite host-uri la care se ajunge folosind o rută care nu suportă alte host-uri din reţeaua din care face parte host-ul respectiv. Adresa specială este folosită pentru ruta default. O rută default este folosită atunci când nu este convenabil să se facă o listă cu toate reţelele posibile într-o actualizare RIP, şi când unul sau mai multe gateway-uri strâns conectate (closely-connected) din sistem sunt pregătite să se ocupe de traficul spre reţelele ce nu sunt explicit specificate. Aceste gateway-uri trebuie să creeze intrări RIP pentru adresa , ca şi cum ar fi o reţea la care sunt conectate. Decizia felului în care sunt create aceste intrări pentru reţeaua este lăsată celui care face implementarea. Cel mai adesea, administratorul de sistem va avea o metodă pentru a specifica ce gateway va crea intrări pentru Sunt posibile, însă şi alte mecanisme. De exemplu, cel care face implemantarea, poate lua decizia ca orice gateway care înţelege EGP trebuie să fie declarat ca gateway default. Ar putea fi util să se permită administratorului de reţea să aleagă metrica ce va fi folosită în aceste intrări. Dacă există mai mult de un gateway default, această metrică va face posbilă alegerea unuia faţă de altul. Intrarea pentru revine în sarcina RIP-ului în exact aceeaşi manieră ca şi când ar

187 fi vorba de o reţea având această adresă. Oricum, intrarea este folosită pentru a ruta orice datagramă a cărei adresă destinaţie nu se potriveşte nici unei reţele care apare în tabela de rutare. Nu este obligatorie aplicarea acestei convenţii în implementare dar acest lucru este recomandat. Implementările care nu suportă trebuie să ignore intrările cu această adresă. În astfel de situaţii nu vor include aceste intrări în propriile actualizări RIP. Administratorii de sistem trebuie să se asigure că rutele nu vor fi transmise mai departe decât în mod intenţionat. În general, fiecare sistem autonom, are propriul gateway default. Astfel, rutele cu nu trebuie să treacă de graniţa sistemului autonom. Mecanismul care se ocupă cu acest lucru nu este abordat în curs Ceasuri (Timer-e) Acest capitol descrie toate evenimentele ce sunt declanşate de ceasuri. La fiecare 30 de secunde, procesul de ieşire este configurat să genereze un răspuns complet către fiecare gateway vecin. Când sunt multe gateway-uri într-o singură reţea, apare tendinţa ca acestea să se sincronizeze unul cu altul astfel încât îşi trimit actualizările în acelaşi timp. Acest lucru se întâmplă atunci când timer-ul de 30 de secunde este afectat de încărcarea sistemului. Nu este de dorit ca mesajele de actualizare să se sincronizeze deoarece pot apărea coliziuni. Astfel, în implementări trebuie să se aibă în vedere următoarele precauţii: actualizările la 30 de secunde sunt declanşate de un ceas ce nu trebuie să fie afectat de încărcarea sistemului sau de timpul ncesitat de actualizarea precedentă; timer-ul de 30 de secunde este decalat prin adăugarea unui timp aleator de fiecare dată când este setat. Sunt 2 ceasuri asociate cu fiecare rută, un timeout şi un garbage-collection time (timp de colectare a gunoiului). După expirarea timeout-ului, ruta nu mai este validă. Oricum, ea este menţinută în tabelă pentru o scurtă perioadă de timp, astfel încât vecinii să poată afla că acea rută a fost eliminată. După expirarea garbage-collection time ruta este ştearsă din tabelă. Timeout-ul este iniţializat când este stabilită o rută şi de fiecare dată când un mesaj de actualizare este primit pentru ruta respectivă. Dacă trec 180 de secunde de la ultima iniţializare a timeout-ului, ruta este considerată expirată şi va începe procesul de ştergere. Ştergerea are loc din unul din următoarele 2 motive: (1) timeout-ul expiră, sau (2) metrica este setată la 16 din cauza unei actualizări primite de la gateway-ul curent. În fiecare din cele 2 cazuri se întâmplă următoarele: Timpul garbage-collection este setat pentru 120 de secunde. Metrica rutei este setată la valoarea 16 (infinit). Aceasta va face ca ruta să fie ştearsă. Este setat un fanion pentru a arăta că acestă rută a fost modificată şi procesul de ieşire este atenţionat să declanşeze un răspuns. Până când garbage-collection timer expiră, ruta este inclusă în toate actualizările trimise de acest host, având o metrică de valoare 16 (infinit). Când garbage-collection timer expiră, ruta este ştearsă din tabelă. Va trebui ca înainte de expirarea garbage-collection timer să fie stabilită o nouă rută spre această reţea, rută ce o va înlocui pe cea care va fi ştearsă. În acest moment, garbage-collection timer va fi resetat

188 Tratarea modificărilor topologiei În practică, se întîlnesc situaţii în care liniile de comunicaţie se întrerup şi apoi revin. Versiunea teoretică a algoritmului implică un număr minim de vecini apropiaţi. Dacă topologia se modifică, se schimbă şi setul de vecini. Data viitoare când va fi făcut calculul, aceste modificări vor fi oglindite. Implementările actuale utilizează o versiune incrementală a minimizării. Numai cea mai bună rută pentru oricare destinaţie dată va fi reamintită. Dacă gateway-ul implicat în această rută îşi întrerupe funcţionarea sau dacă conexiunea de reţea va cădea, calculul e posbil să nu reflecte niciodată modificările. Algoritmul se bazează pe faptul că gateway-ul îşi înştiinţează vecinii dacă metricile sale se modifică. Dacă gateway-ul cade, nu există nici o cale de a anunţa vecinii despre modificare. În ideea de a rezolva acest tip de probleme, protocoalele bazate pe vectorul distanţă trebuie să dispună de facilitatea expirării unei rute. Detaliile depind de protocolul ales. Ca un exemplu, în RIP fiecare gateway ce participă la rutare trimite un mesaj de actualizare către toţi vecinii săi la fiecare 30 de secunde. Presupunem că ruta curentă către reţeaua N foloseşte gateway-ul G. Dacă nu se primeşte nimic de la G timp de 180 de secunde, se presupune că acest gateway a căzut sau că s-a întrerupt conexiunea către acea reţea. Deci, ruta va fi marcată ca fiind invalidă. Atunci când vom afla de la un alt vecin că există o rută validă către reţeaua N, această rută validă o va înlocui pe cea invalidă. De remarcat că se aşteaptă 180 de secunde înaintea expirării rutei chiar dacă se aşteaptă mesaje de la fiecare vecin la fiecare 30 de secunde. Din păcate, câteodată mesajele se pierd în reţea. De aceea, nu este o idee bună să se invalideze o rută numai pe baza unui singur mesaj lipsă. Aşa cum se va vedea mai departe, este util să existe modalităţi de înştiinţare a vecinilor că o anumită rută către o anumită reţea este invalidă. RIP, împreună cu alte câteva protocoale din aceaastă clasă, fac acest lucru printr-un mesaj obişnuit de actualizare, marcând acea reţea ca unreachable (la care nu se poate ajunge). O valoare specifică a metricei va fi aleasă pentru a indica o destinaţie de neatins; această valoare fiind mai mare decât cea mai mare metrică validă. In implementarea actuală a RIP-ului este folosită valoarea 16. Această valoare este referită ca infinit deoarece este mai mare decât cea mai mare valoare validă pentru o metrică. 16 poate părea totuşi un număr surprinzător de mic. Motivul pentru care a fost aleasă această valoare se va vedea în continuare. În majoritatea implementărilor, aceeaşi convenţie este folosită intern pentru a marca o rută invalidă Numărare la infinit (Counting to infinity) Algoritmul folosit până acum a presupus totdeauna existenţa unui host sau gateway pentru stabilirea unei tabele corecte de rutare. Cu toate acestea, nu este suficient pentru a fi folositor şi în practică. Dovezile de mai sus arată că o tabelă de rutare va converge către valorile corecte într-un interval de timp finit. Nu se garantează că acest timp va fi suficient de mic pentru a fi util şi nici nu se spune ce se va întâmpla cu metricele reţelelor ce devin inaccesibile. E relativ uşor să aplicăm metode matematice pentru tratarea rutelor ce devin inaccesibile. Convenţia de mai sus poate face acest lucru. S-a ales o metrică de valoare mare pentru a reprezenta infinitul Această valoare trebuie să fie suficient de mare astfel încât nici o metrică reală să nu poată avea vreodată această valoare. Pentru a exemplifica acest lucru s-a ales valoarea 16. Să presupunem că o reţea devine inaccesibilă. Toate gateway-urile din imediata vecinătate vor fi în timeout şi metrica pentru acea reţea va fi setată la valoarea 16. În scopul de a face o analiză, se va presupune că toate gateway-urile vecine au primit o piesă hard nouă care le conectează direct la reţeaua dispărută care are costul 16. Atâta timp cât

189 aceasta este singura conexiune către reţeaua dispărută toate celelalte gateway-uri din sistem vor tinde către noi rute ce trec prin unul din aceste gateway-uri. E uşor de obesrvat că în această situaţie, toate gateway-urile vor avea metrica de valoare minim 16 către reţeaua dispărută. Gateway-urile aflate la numai un hop distanţă de vecinii iniţiali, vor avea o metrică de valoare cel puţin 17; gateway-urile aflate la 2 hopuri, cel puţin 18 etc. Atâta timp cât aceste metrici sunt mai mari decât cea mai mare valoare acceptată pentru o metrică, ele vor fi setate la 16. Este evident că în această situaţie sistemul va converge la nivelul tuturor gateway-urilor către metrica 16 spre acea reţea. Din nefericire, durata intervalului de convergenţă nu se poate stabili într-un mod foarte simplu. Înainte de a merge mai departe să analizăm următorul exemplu (figura 4.5). de remarcat că ceea ce va fi arătat în continuare nu se va întâmpla în cazul unei implementări corecte a RIP-ului. Vom încerca să demostrăm de ce sunt necesare anumite caracteristici Figura 4.5 Toate conexiunile au costul 1, mai puţin legătura directă de la C la D care are costul 10. Fiecare router (gateway) va avea o tabelă conţinând o rută către fiecare reţea. Să notăm numai rutele de la fiecare gateway către reţeaua D. D: conectată direct, metrică 1 B: rută prin D, metrică 2 C: rută prin B, metrică 3 A: rută prin B, metrică 3 Să presupunem acum că legătura dintre B şi D cade. Rutele vor trebui acum modificate pentru a folosi legătura de la C la D. Din păcate, va dura ceva vreme pentru ca acest lucru să se întâmple. Modificările de rutare încep atunci când B anunţă că ruta către D nu mai este utilizabilă. Pentru simplificare, în tabelul următor se presupune că toate gateway-urile trimit mesaje de actualizare în acealaşi timp. În tabel apar metricile pentru reţeaua ţintă, aşa cum apar în tabela de rutare a fiecărui gateway

190 Next hop Dist. Next hop Dist. Next hop Dist. Next hop Dist. Next hop Dist. Next hop Dist. D Dir 1 Dir 1 Dir 1 Dir 1 Dir 1 Dir 1 B Unr - C 4 C 5 C 6 C 11 C 12 C B 3 A 4 A 5 A 6 A 11 D 11 A B 3 C 4 C 5 C 6 C 11 C 12 Dir = conectat direct Unr = de neatins (unreachable) Apare următoarea problemă: B este capabil să scape de ruta căzută folosind un mecanism de timeout. Dar urme ale acestei rute persistă în sistem pentru o lungă perioadă de timp. Iniţial, A şi C cred că pot ajunge la D prin B. Deci, ele vor continua să trimită mesaje de actulaizare conţinând metrici de valoare 3. La următoarea iteraţie, B va pretinde că poate ajunge la D fie prin A, fie prin C. Desigur, acest lucru este posibil. Rutele pretinse de A şi C sunt inutilizabile, dar ele nu ştiu încă acest lucru. Şi chiar şi atunci când vor descoperi că rutele lor prin B au dispărut, fiecare va crede că mai este o rută disponibilă prin celălalt. Eventual sistemul va converge dar va trece ceva timp până se va întâmpla acest lucru. Cel mai rău caz este când o reţea devine complet inaccesibilă dintr-o anumită parte a sistemului. În acest caz, metrica poate creşte încet într-un mod ca cel de mai sus până când va deveni infinit. Din acest motiv, problema este denumită numărare la infinit. Acum se poate înţelege de ce infinitul a fost ales să aibă o valoare cât mai mică. Dacă o reţea devine complet inaccesibilă, e de preferat ca numărarea la infinit să se oprească cât mai repede. Infinitul trebuie să fie suficient de mare astfel încât nici o rută reală să nu fie atât de mare. Dar nu poate fi oricât de mare. Deci alegerea infinitului este o negociere între mărimea reţelei şi viteza de convergenţă în cazul în care are loc o numărare la infinit. Proiectanţii RIP-ului cred că protocolul nu e practic pentru reţele cu o întindere mai mare de 15. Sunt câteva lucruri ce pot fi făcute pentru a preveni astfel de probleme. Una dintre ele şi care este folosită de RIP se numeşte "split horizon with poisoned reverse", and "triggered updates" Mecanismul Split horizon Se observă că, parţial, problema de mai sus e cauzată de faptul că gateway-urile A şi C sunt angajate într-un proces de dezinformare reciprocă. Fiecare pretinde să fie capabil să ajungă în D prin celălalt. Acest lucru poate fi prevenit dacă se are mai multă grijă cu privire la destinatarul informaţiei transmise. În particular, nu este corect să pretinzi că deţii o rută pentru reţeaua destinaţie a vecinului de la care de fapt ai învăţat acea rută. Split horizon este o schemă pentru evitarea problemelor cauzate de transmiterea actualizărilor către gateway-ul de la care a fost învăţată ruta. Schema split horizon în varianta simplificată omite rutele învăţate de la un vecin în mesajele de actualizare trimise la acel vecin. Split horizon with poisoned reverse include astfel de rute în mesajele de actualizare dar setează metricele acestora la infinit

191 Dacă A crede că poate ajunge la D prin C, mesajele sale către C ar trebui să indice că D nu poate fi atins. Dacă ruta prin C este reală, atunci C ori are o legătură directă cu D, ori o legătură prin alt gateway. Ruta lui C nu poate duce înapoi la A, deoarece formează o buclă. Spunându-i lui C că D nu poate fi atins, A previne situaţia în care C ar putea deveni confuz şi ar crede că există rută prin A. Acest lucru este evident pentru o legătură punct la punct. Dar să considerăm că A şi C sunt conectate printr-o reţea broadcast, cum este Ethernet-ul şi există şi alte gateway-uri în această reţea. Dacă A are rută prin C, ar trebui să indice că D este de neatins când discută cu orice alt gateway din acea reţea. Celelalte gateway-uri din reţea pot ajunge ele însele (în mod direct) la C. Nu au nevoie de o rută prin A pentru a ajunge la C. Dacă cea mai bună rută a lui A este prin C, nici un alt gateway din acea reţea nu are nevoie să ştie că A poate ajunge la D. Este o şansă, pentru că înseamnă că acelaşi mesaj de actualizare care este folosit pentru C poate fi folosit pentru toate gateway-urile din reţea. Astfel, mesajele de actualizare pot fi trimise ca broadcast. În general, Split horizon with poisoned reverse este mai sigur decât Split horizon. Dacă 2 gateway-uri au rute care indică unul către celălalt, rutele reverse cu o metrică de 16 vor rupe bucla imediat. Dacă rutele reverse nu sunt anunţate, rutele eronate vor trebui eleiminate prin aşteptarea unui timeout. Totuşi, poisoned reverse are un dezavantaj: creşte mărimea metricei rutei. Să considerăm cazul unui backbone de campus ce conectează un număr de clădiri diferite. În fiecare clădire exsistă un gateway ce conectează backbone-ul la reţeaua locală. Să ne imaginăm ce actualizări (de tip broadcast) de rute ar transmite acele gateway-uri pe backbone. Într-adevăr restul reţelei trebuie să ştie despre fiecare gateway la ce reţele locale este conectat. Folosind Split horizon (varianta simplă), numai acele rute ar apărea în mesajele de actualizare trimise de gateway prin backbone. Dacă este folosit Split horizon with poisoned reverse gateway-ul va trebui să menţioneze toate rutele pe care le învaţă de la backbone, cu metrică de 16. Dacă sistemul este mare (număr mare de reţele şi gateway-uri), mesajul de actualizare va fi complex cu majoritatea intrărilor indicând reţele de neatins. Într-un sens static, transmiţând rute de tip reverse cu metrică de valoare 16 nu sunt furnizate informaţii adiţionale. Dacă există multe gateway-uri într-o reţea de tip broadcast, aceste intrări suplimentare pot folosi o lăţime de bandă (capacitate de trafic) semnificativă. Motivul pentru care sunt acolo este pentru a îmbunătăţi comportamentul dinamic (a grăbi convergenţa). Totuşi, în unele situaţii administratorul de reţea preferă să accepte o convergenţă mai lentă pentru a evita supraîncărcarea reţelei. Cei ce realizează implementarea ar putea alege ei înşişi Split horizon în detrimentul Split horizon with poisoned reverse, sau pot furniza o opţiune de configurare care permite administratorului reţelei să aleagă varianta pe care o consideră optimă. Este permis să se implementeze scheme hibride care să promoveze unele rute reverse cu o metrică de 16 şi să omită altele. Un exemplu de o astfel de schemă ar fi folosirea unei metrice de 16 pentru rute reverse pentru o anumită perioadă de timp (din momentul declanşării schimbărilor de rutare ce le implică) şi apoi omiţându-le din mesajele de actualizare Actualizări determinate de anumite evenimente Mecanismul Split horizon with poisoned reverse va preveni orice bucle de rutare ce implică numai 2 gateway-uri. Totuşi există situaţii în care în formarea buclei sunt implicate 3 gateway-uri. De exemplu, A poate crede că are rută prin B, B prin C şi C prin A. Split horizon nu poate elimina o astfel de buclă. Această buclă va fi rezolvată numai când metrica atinge infinit şi reţeua implicată este deci declarată de neatins

192 Actualizările determinate de anumite evenimente sunt o încercare de a mări viteza convergenţei. Pentru a obţine aceste actualizări, adăugăm o regulă prin care ori de câte ori un gateway schimbă metrica pentru o rută, se cere să se transmită imediat mesajul de actualizare corespunzător, chiar dacă nu este încă timpul pentru un mesaj obişnuit de actualizare. (Detaliile de timp vor fi definite pentru fiecare protocol. Unele protocoale bazate pe vector distanţă, incluzând RIP, specifică o mică întârziere pentru a evita ca actualizările să genereze trafic excesiv în reţea). De observat cum acest lucru se combină cu regulile de calculare a noilor metrici. Să presupunem că o rută a unui gateway X către destinaţia N trece prin gateway-ul G. Dacă soseşte un mesaj de actualizare de la G, gateway-ul X trebuie să valideze informaţia nouă, necontând dacă noua metrică este mai mare sau mai mică decât cea veche. Dacă rezultatul este o schimbare de metrică, atunci gateway-ul X va trimite actualizările către toate host-urile şi gateway-urile conectate la el. La rândul lor acestea pot fiecare trimite actualizări către vecinii lor. Rezultatul este o cascadă de actualizări. E uşor să arătăm care gateway-uri şi host-uri sunt implicate în cascada de actualizări. Să presupunem că gateway-ul G are ruta către N expirată. G va trimite actualizările către toţi vecinii săi. Totuşi, singurii vecini care vor lua în considerare aceste noi informaţii sunt aceia ale căror rute către N trec prin G. Celelalte gateway-uri şi hosturi vor vedea aceste noi informaţii ca fiind rute noi care sunt mai rele ca cele pe care deja le folosesc, şi le vor ignora. Vecinii ale căror rute trec prin G vor actualiza metricele şi vor trimite actualizările către toţi vecinii lor. Din nou, numai acei vecini ale căror rute trec prin el vor ţine cont de aceste actualizări. Astfel, actualizările se vor propaga înapoi de-a lungul tuturor căilor ce duc spre gateway-ul G, actualizând metricele la infinit. Această propagare se va opri când se va ajunge la o porţiune a unei reţele a cărei rută către destinaţia N o ia pe alte căi. Dacă sistemul ar putea fi făcut astfel încât să îngheţe până când este transmisă toată cascada de actualizări, e posibil să se demonstreze că numărătoarea la infinit nu va avea loc. Rutele proaste vor fi şterse totdeauna imediat, şi astfel nu se va putea forma nici o buclă de rutare. Din păcate, lucrurile nu stau chiar aşa în realitate. Când sunt transmise actualizările determinate de anumite evenimente, actualizările uzuale pot avea loc în acelaşi timp. Gateway-urile care nu au primit încă actualizări determinate de anumite evenimente vor trimite în continuare informaţii bazate pe rute care de fapt nu mai există. Este posibil ca după trecerea actualizărilor determinate de anumite evenimente printr-un gateway, acesta să primească o actualizare normală de la unul din aceste gateway-uri care nu a fost încă informat asupra evenimentului respectiv. Acest lucru va restabili o rută greşită IGRP Interior Gateway Routing Protocol IGRP este un protocol (elaborat de Cisco) ce permite unui număr de gateway-uri să îşi coordoneze procesele de rutare. Scopurile sunt: rutare stabilă chiar şi în reţele largi sau foarte complexe. Nici o buclă de rutare nu va apărea nici chiar în mod tranzitoriu ; răspuns rapid privind schimbările de topologie ale reţelei; supraîncărcare redusă. Aceasta deoarece, IGRP foloseşte lăţimea de bandă minimă necesară pentru task-urile sale; împărţirea traficului de-a lungul câtorva rute paralele atunci când sunt aproximativ echivalente; luarea în considerare a ratei de eroare şi a nivelului traficului pentru căi diferite;

193 abilitatea de a trata mai multe tipuri de servicii pe baza unui singur set de informaţii. Implementarea curentă a IGRP-ului are în vedere rutarea pentru TCP/IP. Cu toate acestea, structura de bază a fost creată pentru a funcţiona cu o varietate de protocoale. Cu timpul, rutarea a devenit o problemă mai dificilă decât era de aşteptat. Iniţial, protocoale ca RIP erau suficiente pentru a se descurca cu majoritatea reţelelor. Cu toate acestea, creşterea Internetului, şi descentralizarea controlului structurii sale, au avut ca rezultat crearea unui sistem de reţele care este aproape dincolo de posibilităţile noastre de administrare. Situaţii asemănătoare au loc de asemenea în mari reţele ale unor corporaţii. IGRP este o unealtă făcută cu intenţia de a ajuta în rezolvarea acestei probleme. Nu există vreo unelată care să rezolve toate problemele de rutare. În mod convenţional, problema rutării este împărţită în câteva părţi. Protocoale ca IGRP sunt numite Internal Gateway Protocols - IGPs. Acestea sunt făcute cu intenţia de a fi utilizate în cadrul unui singur set de reţele, toate acestea aflându-se sub o singură administrare. Aceste seturi de reţele sunt conectate între ele printr-un external gateway protocol (EGPs). Un IGP este creat pentru a ţine evidenţa privind detalile despre topologia reţelei. Prioritar în proiectarea unui IGP este găsirea de rute optime şi răspunsurile rapide la schimbări. În cazul unui EGP se aşteaptă protejarea unui sistem de reţele împotriva mesajelor eronate transmise intenţionat sau nu de alte sisteme. Prioritar în implementarea unui EGP este stabilitatea şi administrarea. Adesea este suficient pentru un EGP găsirea de rute rezonabile, mai degrabă decât găsirea unei rute optime. De fapt, există caracteristici ale implementării Cisco ce permit IGRP-ului să fie folosit ca EGP în anumite circumstanţe. Cu toate acestea, IGRP a fost proiectat pentru a fi utilizat ca IGP. IGRP are câteva similarităţi cu protocoale mai vechi cum ar fi Xerox's Routing Information protocol, Berkeley's RIP, şi Hello al lui Dave Mills. Diferă de aceste protocoale în primul rând prin aceea că a fost creat pentru reţele mai mari şi mai complexe. RIP este cel mai utilizat din generaţia de protocoale mai vechi. Ca şi aceste protocoale mai vechi, IGRP este de tip vector distanţă. În cazul unui astfel de protocol, gateway-urile schimbă informaţii de rutare numai cu gateway-urile adiacente. Aceste informaţii de rutare conţin un rezumat al informaţiilor despre restul reţelei. Se poate demonstra matematic, că toate gateway-urile implicate în procesul de rutare iau parte împreună la rezolvarea unei probleme de optimizare pe baza unui algoritm distribuit. Fiecare gateway are nevoie să rezolve numai o parte a problemei şi va primi pentru asta numai o parte din datele totale Problema rutării IGRP se foloseşte de către gateway-uri ce interconectează câteva reţele. Presupunem că reţelele folosesc o tehnologie bazată pe comutarea pachetelor. Drept urmare, gateway-urile acţionează ca nişte comutatoare de pachete. Când un sistem conectat la o reţea doreşte să trimită un pachet unui sistem dintr-o altă reţea, îl trimite unui gateway. Dacă destinaţia este într-una din reţelele conectate la gateway, gateway-ul va trimite pachetul la destinaţie. Dacă destinaţia este într-o altă reţea, gateway-ul va trimite pachetul unui alt gateway care este mai aproape de destinaţie. Gateway-urile folosesc tabele de rutare pentru a decide ce să facă cu pachetele. Iată un exemplu de tabelă de rutare. (Se consideră că protocolul de comunicaţie folosit este IP; problema rutării este similară şi pentru alte protocoale)

194 Destination Gateway Interface none Ethernet none Ethernet Ethernet Ethernet Ethernet 1 (De fapt tabelele de rutare IGRP conţin mai multe informaţii pentru fiecare gateway după cum se va vedea) Acest gateway este conectat la 2 Eternet-uri numite 0 şi 1. Acestora le-au fost alocate adresele IP de reţea (de fapt adrese de subreţele) şi Astfel, pachetele adresate acestor reţele pot fi trimise direct către destinaţie, pur şi simplu prin folosirea interfeţei Ethernet corespunzătoare. Sunt 2 gateway-uri apropiate (învecinate) şi Pachetele către alte reţele decât şi vor fi trimise către unul sau altul din cele 2 gateway-uri. Tabela de rutare indică ce gateway trebuie folosit şi pentru ce reţea. De exemplu, pachetele adresate unui host din reţeaua trebuiesc trimise către gateway-ul Considerăm că acest gateway este mai aproape de reţeaua 10, adică cea mai bună rută către reţeaua trece prin acest gateway. Scopul primar al IGRP este să permită gateway-urilor să construiască şi să întreţină astfel de tabele IGRP prezentare generală Aşa cum s-a menţionat mai sus, IGRP este un protocol care permite gateway-urilor să construiască tabela de rutare prin schimbarea de informaţii cu alte gateway-uri. Un gateway începe completarea tabelei de rutare cu intrări pentru toate reţelele care sunt direct conectate la el. Obţine informaţii despre alte reţele prin schimburile de actualizări de rute cu gateway-urile adiacente. O rută conţine: destinaţia, următorul gateway către care trebuie trimise pachetele, interfaţa de reţea ce ar trebui folosită, şi informaţia privind metrica. Informaţia referitoare la metrică este un set de numere care descrie cât de bună este ruta. Aceasta permite gateway-ului să compare rutele despre care a fost informat de alte gateway-uri şi să decidă pe care să o folosescă. Sunt cazuri când are sens să împărţim traficul între 2 sau mai multe rute. IGRP va face acest lucru oricând 2 sau mai multe rute sunt la fel de bune. Utilizatorul îl poate de asemenea configura să împartă traficul atunci când rutele sunt aproape egal de bune. În acest caz mai mult trafic va fi trimis prin calea cu metrica cea mai bună. De exemplu dacă se doreşte ca traficul să fie împărţit între două linii, una de 9600 bps şi o alta de bps, liniei de bps i se va aloca o metrică de 2 ori mai bună decât cea a liniei de 9600 bps. Metrica folosită de IGRP poate reprezenta: întârzierea introdusă de conexiunea respectivă; lăţimea de bandă (capacitatea de trafic a conexiunii); gradul de încărcare a conexiunii; fiabilitatea conexiunii

195 Întârzierea introdusă de o conexiune reprezintă timpul necesar pentru a ajunge la destinaţie prin acea cale, în condiţiile unei reţele neîncărcate. Desigur există întârziere adiţională când reţeaua este încărcată. Totuşi, încărcarea este contabilizată prin folosirea parametrului gradul de încărcare a conexiunii şi nu prin încercarea de a măsura întârzierea propriu-zisă. Lăţimea de bandă a conexiunii este capacitatea de trafic exprimată în biţi/sec. Gradul de încărcare a conexiunii indică cât de multă bandă este folosită curent. Poate fi măsurată şi se modifică odată cu încărcarea conexiunii. Fiabilitatea indică rata curentă de erori. Poate fi măsurată. Deşi nu sunt folosite ca parte a metricei, 2 informaţii adiţionale sunt transmise cu ea: hop count şi MTU. Hop count reprezintă numărul de gateway-uri pe care un pachet va trebui să le traverseze ca să ajungă la destinaţie. MTU reprezintă mărimea maximă a pachetului ce poate fi transmis prin întreaga cale fără fragmentare (este MTU-ul cel mai mic dintre toate MTU-urile reţelelor traversate). Pe baza informaţiei metricelor, pentru o cale se calculează o singură metrică compusă. Metrica compusă combină efectul componentelor diferitelor metrici într-un singur număr reprezentând calitatea căii. Metrica compusă este folosită pentru a decide cea mai bună cale de urmat. Periodic, fiecare gateway transmite prin broadcast întreaga tabelă de rutare către toate gateway-urile adiacente (cu unele excepţii din cauza mecanismului Split horizon ). Când un gateway primeşte acest mesaj de tip broadcast de la un alt gateway, compară tabela primită cu cea proprie. Orice destinaţii sau căi noi sunt adăugate tabelei proprii de rutare. Rutele din mesajul broadcast sunt comparate cu rutele existente. Dacă o rută nouă este mai bună, o poate înlocui pe cea existentă. Informaţia din broadcast este folosită de asemenea pentru actualizarea ocupării canalului de comunicaţie şi a altor informaţii despre rutele existente. Această procedură generală este similară cu cea folosită de toate protocoalele bazate pe vectorul distanţă (în literatura matematică sunt referiţi ca algoritmi Belmann-Ford). În IGRP, algoritmul general Belmann-Ford este modificat în 3 aspecte esenţiale. Întâi, în loc de o metrică simplă, este folosit un vector de metrici pentru a caracteriza căile. Apoi, în locul alegeri unei singure căi cu metrica cea mai mică, traficul este împărţit de-a lungul mai multor căi ale căror metrici se încadrează între anumite valori. În al treilea rând, au fost introduse câteva elemente pentru a asigura stabilitate în situaţiile în care topologia este modificată. Calea cea mai bună este selectată pe baza unei metrici compuse: [(K1 / Be) + (K2 * Dc)] r Unde: K1, K2 = constante Be = lărgime de bandă efectivă Dc = întârziere r = stabilitate. Cale cu cea mai mică metrică compusă va fi calea cea mai bună. În cazul în care există mai multe căi către aceeaşi destinaţie, gateway-ul poate ruta pachetele de-a lungul mai multor căi. Acest lucru este făcut ţinând cont de metrica compusă pentru fiecare pachet de date. De exemplu, dacă o cale are o metrică compusă 1 şi o altă cale are metrica compusă 3, de 3 ori mai multe pachete vor fi

196 transmise pe calea cu metrica 1. Oricum, vor fi utilizate numai căi ale căror metrici compuse se încadrează între anumite valori ale celei mai mici metrici compuse. K1 şi K2 indică ponderile ce vor fi atribuite lărgimii de bandă şi întârzierii. Acestea depind de tipurile serviciilor. De exemplu, traficul de tip interactiv va acorda în mod normal o importanţă mai mare întârzierii iar traficul de tip transfer de fişiere, lărgimii de bandă. Sunt 2 avantaje ale folosirii vectorului de metrici. Primul este că asigură posibilitatea suportării mai multor tipuri de servicii pe baza aceluiaşi set de date. Al doilea avantaj este că îmbunătăţeşte acurateţea stabilirii rutelor. Când este folosită o singură metrică, este tratată ca şi când ar reprezenta întârzierea căii. Fiecare conexiune a căii este adăugată la metrica totală. Dacă există o legătură cu o lărgime de bandă mică, ea este caracterizată în mod normal de o întârziere mare. Cu toate acestea, limitările de lărgime de bandă nu se cumulează similar întârzierilor. Considerând lărgimea de bandă ca o componentă separată, aceasta poate fi tratată corect. În mod asemănător, încărcarea poate fi tratată ca un parametru separat care indică gradul de ocupare a canalului. IGRP asigură un sistem pentru interconectarea reţelelor de calculatoare care poate rezolva în condiţii de stabilitate o topologie generală (inclusiv bucle). Sistemul conţine informaţii privind metricele întregilor căi, adică, ştie parametrii căilor către toate celelalte reţele la care oricare gateway este conectat. Traficul poate fi distribuit pe căi paralele şi parametrii căii multiple pot fi simultan calculaţi de-a lungul întregii reţele Descriere detaliată Cînd un gateway este pornit prima dată, este iniţializată tabela sa de rutare. Acest lucru poate fi făcut de un operator de la consola de comandă, sau prin citirea informaţiilor din fişierele de configurare. Este astfel asigurată o descriere a fiecărei reţele conectate la gateway, inclusiv informaţii privind întârzierea conexiunii (adică cît de mult îi ia unui singur bit să traverseze conexiunea) şi lărgimea de bandă a conexiunii. Figura 4.6 Exemplu de reţea

197 De exemplu, în fig 4.6 gateway-ul S, în urma configurării adreselor IP şi a măştilor de reţea corespunzătoare pentru interfeţele sale, ştie că este conectat direct la reţelele 2 şi 3 prin interfeţele corespunzătoare. Deci, iniţial, gateway 2 ştie numai că el poate retransmite pachete către calculatoarele din reţelele 2 şi 3. Toate gateway-urile sunt configurate să transmită periodic gateway-urilor vecine informaţiile cu care au fost iniţializate, precum şi informaţiile obţinute de la alte gateway-uri. Astfel, gateway-ul S va primi actualizări de la gateway-urile R şi T şi va învăţa că poate ajunge la calculatoarele din reţeaua 1 prin gateway-ul R şi calculatoarele din reţeaua 4 prin T. Gateway-ul S îşi trimite întreaga tabelă de rutare (actualizată) şi prin urmare în ciclul următor gateway-ul T va învăţa că el poate ajunge la reţeaua 1 prin gateway-ul S. E uşor de văzut că aceste informaţii despre orice reţea din sistem vor ajunge eventual la fiecare gateway din sistem. Fiecare gateway calculează o metrică compusă pentru a determina calitatea căii către calculatoarele destinaţie. De exemplu, în figura 4.7, pentru o destinaţie din reţeaua 6, gateway-ul A va clacula valorile metricei pentru 2 căi, prin gateway-ul B şi C. De remarcat că aceste căi sunt definite în mod simplu, prin hostul următor. Există 3 rute posible de la A la reţeaua 6: prin B prin C şi apoi prin B prin C şi apoi prin D Cu toate astea, gateway-ul A nu va trebui să aleagă între cele 2 rute prin C. Tabela de rutare a lui A are o singură intrare reprezentând calea prin C. Metrica sa reprezintă cea mai bună cale de a junge de la C la destinaţia finală. Dacă A trimite un pachet către C, depinde de C să decidă dacă va folosi pe B sau pe D. Figura 4.7 Exemplu de căi alternative

198 Metrica compusă calculată pentru fiecare cale arată astfel: [(K1 / Be) + (K2 * Dc)] r (1) Unde: r = fiabilitate (cât % din transmisie este primită cu succes de hopul următor) Dc = întârziere compusă; Be = lărgime efectivă de bandă; K1, K2 = constante. În principiu, întârzierea compusă, Dc, poate fi determinată astfel: Dc = Ds + Dcir + Dt (2) Unde: Ds = întârziere de comutare; Dcir = întârzierea de circuit (întârzierea dată de propagarea unui bit); Dt = întârzierea de transmisie. Cu toate acestea, în practică este utilizată o valoare standard reprezentând întârzierea pentru fiecare tip de reţea. De exemplu, există o valoare standard reprezentând întârzierea pentru o reţea Ethernet şi diverse valori pentru liniile seriale de diverse viteze. Un exemplu de cum arată tabela de rutare pentru gateway-ul A este prezentat în figura 4.8 (Pentru simplificare, componentele individuale pentru vectorul de metrici nu sunt reprezentate) Destinaţie Interfaţă gw următor Metrică Network 1 I1 - conectată direct Network 2 I2 - conectată direct Network 3 I3 - conectată direct Network 4 I2 C 1270 I3 B 1180 Network 5 I2 C 1270 I3 B 2130 Network 6 I2 C 2040 I3 B 1180 Figura 4.8 Exemplu de tabelă de rutare

199 Aceste proces de creare a unei tabele de rutare prin schimbul de informaţii cu vecinii este descris de algoritmul Bellman-Ford. Algoritmul a fost folosit în protocoalele mai vechi ca RIP (RFC 1058). Pentru a fi eficient în reţele mai complexe, IGRP adaugă 3 caracteristici noi algoritmului de bază Bellman-Ford: 1. În locul unei metrici simple, pentru a caracteriza o cale, este folosit un vector de metrici. O singură metrică compusă poate fi calculată pornind de la acest vector şi folosind ecuaţia (1). Folosirea unui vector de metrici permite gateway-ului să trateze diverse tipuri de servicii, utilizând coeficienţi diferiţi în ecuaţia (1). De asemenea, permite o mai bună reprezentare a caracteristicilor reţelei decât o metrică simplă. 2. În locul alegerii unei singure căi având cea mai mică metrică, traficul este împărţit de-a lungul mai multor căi având metrice cuprinse între anumite valori. Acest lucru permite folosirea câtorva rute în paralel, asigurând astfel mai multă eficienţă în privinţa utilizării lărgimii de bandă decât în cazul folosirii unei singure rute. Administratorul de reţea specifică o constantă de variaţie V. Toate căile având metrica compusă minimă M sunt păstrate. În plus, toate căile cu metrice mai mici decât VxM sunt de asemenea reţinute. Traficul este distrubuit de-a lungul mai multor căi invers proporţional cu metricile compuse asociate acestora. 3. Există câteva probleme legate de conceptul de dezacord. Este dificil de stabilit o strategie care să asigure folosirea unui constante de variaţie cu valoare mai mare decât 1, şi de asemenea să nu conducă la bucle de rutare. În Cisco IOS 8.2, mecanismul acesta nu este implementat. Efectul acestui lucru este setarea valorii constantei de variaţie la 1 în mod permanent. 4. Câteva carcateristici au fost introduse pentru a asigura stabilitatea în cazul schimbărilor de topologie. Aceste carcateristici au scopul de a preveni buclele de rutare şi numărarea la infinit, fenomene ce au carcaterizat încercările anterioare de folosire a algoritmilor de tip Ford pentru acest tip de aplicaţii. Mecanismele cele mai importante ce asigură stabilitatea sunt "holddowns", "triggered updates", "split horizon," şi "poisoning". Împărţirea (split-area) traficului (punctul 2) ridică însă şi o problemă nedorită. Constanta de variaţie V a fost introdusă pentru a permite gateway-urilor să folosească căi diferite având viteze diferite. De exemplu, poate exista o linie de 9600 bps în paralel cu o linie bps, pentru a asigura redundanţa. In cazul în care constanta de variaţie V este 1, numai calea cea mai bună va fi folosită. Deci linia de 9600 bps nu va fi folosită dacă linia de bps are o fiabilitate rezonabilă. (Oricum, dacă sunt câteva căi similare, încărcarea va fi împărţită între ele). Prin creşterea valorii constantei V, putem permite ca traficul să fie împărţit între cea mai bună rută şi alte rute care sunt aproape la fel de bune. Pentru o valoare suficient de mare a constantei V, traficul va fi împărţit între cele 2 linii. Pericolul este ca având o valoare mare pentru V, să fie urmate căi care sunt mai lente dar şi în direcţii greşite. Astfel trebuie să existe o regulă adiţională pentru a preveni traficul să fie transmis într-o direcţie greşită. Nici un trafic nu va fi trimis de-a lungul unei căi a cărei metrică compusă calculată la distanţă (calculată la hop-ul următor) este mai mare decât metrica compusă calculată de gateway. În general administratorii de sistem sunt îndrunaţi să nu seteze valoarea constantei la o valoare mai mare decât 1, excepţie făcând situaţiile când e necesară folosirea unor căi paralele. În acest caz, constanta este setată cu grijă, astfel încât să asigure rezultatul corect. IGRP are scopul de a lucra cu mai multe tipuri de servicii şi mai multe protocoale. Tipul serviciului este o specificaţie în pachetul de date care modifică felul în care sunt evaluate căile. De exemplu, protocolul TCP/IP permite pachetului să specifice importanţa relativă a lărgimii de bandă, întârziere mică, sau siguranţă (fiabilitate) ridicată. În general, aplicaţiile interactive vor specifica o întârziere

200 mică, în timp ce aplicaţiile de transfer cantitativ vor specifica lărgimea de bandă ca fiind mai importantă. Aceste cerinţe determină valorile relative pentru K1 şi K2 ce sunt necesare în ecuaţia (1). Combinaţiile de specificaţii din cadrul unui pachet de care trebuie ţinut cont sunt numite tipuri de servicii. Pentru ficare tip de servicii, trebuie ales setul de parametri K1 şi K2. Este păstrată o tabelă de rutare pentru fiecare tip de servicii. Acest lucru este făcut deoarece căile sunt selectate şi ordonate în funcţie de metrica compusă definită de ecuaţia (1) şi este diferită pentru fiecare tip de serviciu. Informaţiile din toate aceste tabele de rutare sunt combinate pentru a genera mesajele de actualizare ce se schimbă între gateway-uri Protocoale de rutare de tip Link state Descriere generală Router-ele ce folosesc protocoale de rutare de tip link state schimbă între ele mesaje numite link state advertisments (anunţuri privind starea conexiunii)- LSAs care constau în ID-urile reţelelor conectate la router şi costurile interfeţelor. LSAa sunt trimise după activarea gateway-ului şi atunci când sunt detecate schimbări în topologia reţelei. LSA-urile sunt trimise folosind mai degrabă mesaje de tip direct sau multicast decât mesaje de broadcast. Router-ele link state construiesc o bază de date de anunţuri LSA şi folosesc această bază de date pentru a calcula rutele optime care sunt adăugate în tabela de rutare. Informaţiile de rutare schimbate între router-ele link state sunt sincronizate şi se bazează pe confirmări. În următorul tabel sunt câteva protocoale de rutare de tip link state. Routable Protocol IP IPX Link State-based Routing Protocol OSPF (Open Shortest Path First) NLSP (NetWare Link Services Protocol) Avantajele protocoalelor de rutare de tip link state : Tabele de rutare mai mici. Numai o singură rută optimă pentru fiecare ID de reţea este stocată în tabela de rutare. Supraîncărcare scăzută a reţelei. Router-ele bazate pe starea legăturii nu schimbă nici o informaţie de rutare când reţeaua este convergentă. Capacitatea de scalare. Beneficiind de tablele de rutare mici şi de supraîncărcare scăzută, protocoalele de rutare de tip link state se comportă bine şi cu reţele mari şi foarte mari. Timp de convergenţă scăzut. Protocoalele de rutare de tip link state au un timp de convergenţă scăzut şi reţelele converg fără pericolul apariţiei buclelor de rutare. Dezavatajele protocoalelor de rutare bazate de tip link state : Complexitate. Aceste protocoale sunt mult mai complexe şi mai dificil de înţeles şi de depanat decât protocoalele bazate pe vectorul distanţă. Mai dificil de configurat. Implementarea unui protocol de tip link state necesită planificări şi configurări suplimentare

201 Open Shortest Path First (OSPF) OSPF rutează pachetele IP numai pe baza adresei IP destinaţie şi a tipului de serviciu (Type of Service - TOS) specificat în header-ul pachetului IP. Pachetele IP sunt rutate fără a fi încapsulate în vreun alt format al unui protocol suplimetar atât timp cât tranzitează un sistem autonom (AS). OSPF este un protocol de rutare dinamică. Detectează cu uşurinţă schimbările de topologie din sistemul autonom (cum ar fi căderea interfeţei unui router) şi calculează noile rute fără bucle după o perioadă de convergenţă. Această perioadă de convergenţă este scurtă şi implică un trafic de rutare minim. În protocolul de rutare de tip link state, fiecare router păstrează o bază de date cu descrierea topologiei sistemului autonom. Fiecare router participant are aceeaşi bază de date. Fiecare element din această bază de date este o descriere a unui router din cadrul sistemului autonom (de exemplu interfeţele utilizabile ale router-ului şi vecinii la care acesta poate ajunge). Router-ul distribuie starea sa locală în tot sistemul autonom prin flood-are (inundare). Toate router-ele execută în paralel acelaşi algoritm. De la baza de date topologică, fiecare router îşi construieşte un arbore cu cele mai scurte căi având ca rădăcină pe sine însuşi. Acest arbore cu cele mai scurte căi asigură rutele către fiecare destinaţie din sistemul autonom. Informaţiile privind rutele externe derivate apar ca frunze în arbore. OSPF calculează rute separate pentru fiecare tip de serviciu (TOS). Când sunt câteva rute cu cost egal către o anume destinaţie, traficul este distribuit în mod egal de-a lungul acestora. Costul unei rute este descris de o singură metrică simplă. OSPF permite gruparea mai multor tipuri de reţele. Un astfel de grup se numeşte arie. Topologia unei arii este ascunsă de restul sistemului autonom. Această ascundere de informaţii permite o reducere semnificantă a traficului de rutare. De asemenea, rutarea în interiorul ariei este determinată numai de propria topologie a ariei, asigurând totodată protecţia împotriva unor informaţii de rutare greşite. O arie este o generalizare a unei subreţele IP. OSPF permite configuraţii flexibile de subreţele IP. Fiecare rută distribuită de OSPF are o destinaţie şi o mască. Două subreţele diferite ale aceleiaşi reţele pot avea dimensiuni diferite (adică măşti diferite). Acest lucru este referit în mod obişnuit ca subreţea de lungime variabilă (variable length subnet mask - VLSM). Un pachet este rutat către subreţeaua cea mai bună (adică cu lărgimea cea mai mare). Host-urile sunt considerate subreţele a căror mască este (0xffffffff). Toate schimburile de mesaje ale protocolului OSPF sunt autentificate. Acest lucru înseamnă că numai router-ele de încredere pot participa la rutarea în cadrul sistemului autonom. Poate fi folosită o varietate de scheme de autentificare dar numai o singură schemă de autentificare se configurează pentru fiecare arie. Acest lucru permite unor arii să utilizeze metode de autentificare mai riguroase decât altele. Informaţiile de rutare externe derivate (de exemplu rute învăţate de la Exterior Gateway Protocol - EGP) sunt trecute în mod transparent prin sistemul autonom. Aceste informaţii externe derivate sunt menţinute separat de datele protocolului OSPF. Fiecare rută externă poate fi de asemenea etichetată

202 de router-ul ce transmite mesaje LSA, asigurând transmiterea informaţiilor adiţionale între router-e de la marginea sistemului autonom Baza de date topologică Baza de date topologică a sistemului autonom reprezintă un graf orientat. Nodurile grafului reprezintă router-e şi reţele. O conexiune a grafului leagă 2 router-e când acestea sunt interconectate printr-o legătură fizică punct-la-punct. O conexiune ce conectează un router de o reţea indică faptul că acel router are o interfaţă în acea reţea. Nodurile dintr-un graf pot fi clasificate în concordanţă cu funcţia acestora. Numai unele dintre ele transportă trafic de tranzit, adică acel trafic care nu a luat naştere local şi care nici nu are un destinatar local. Nodurile ce transportă traficul de tranzit sunt reprezentate în graf având conexiuni atât de intrare cât şi de ieşire. Tip nod Nume nod Tranzit 1 Router Da 2 Reţea Da 3 Reţea finală Nu OSPF suportă următoarele tipuri de reţele fizice: Reţele Point-to-point Este o reţea care interconectează o singură pereche de router-e. O linie serială de 56 Kbs este un exemplu de reţea punct-la-punct. Reţele de tip broadcast Reţele ce suportă multe (>2) router-e conectate, împreună cu posibilitatea de a adresa un singur mesaj fizic tuturor router-elor conectate (broadcast). Router-ele vecine sunt descoperite dinamic în aceste reţele prin folosirea protocolului OSPF Hello. Protocolul Hello foloseşte avantajele mesajelor de broadcast. De asemenea, protocolul foloseşte facilităţile de multicast, dacă acestea există. O reţea Ethernet este un exemplu de reţea broadcast. Non-broadcast networks Reţelele ce suportă multe (>2) router-e conectate dar fără să aibă posibilitate de broadcast. In aceste reţele router-ele vecine sunt de asemenea descoperite prin folosirea protocolului OSPF Hello. Cu toate acestea, din cauza lipsei posibilităţii de broadcast sunt necesare unele informaţii de configurare pentru ca protocolul Hello să funcţioneze corect. În aceste reţele, pachetele protocolului OSPF care sunt de obicei multicast trebuie să fie trimise fiecărui router vecin, pe rând. Un exemplu de reţea non-broadcast este reţeaua de date publică X.25 (X.25 Public Data Network - PDN). Vecinătatea fiecărui nod de reţea din graf depinde de existenţa facilităţii de multiacces (fie broadcast fie non-broadcast) şi, dacă aceasta există, de numărul de router-e care au o interfaţă

203 conectată la reţea. În figura 4.9 sunt înfăţişate 3 cazuri. Router-ele sunt notate cu RT, iar reţelele cu N. Interfeţele router-elor sunt notate cu I. Liniile dintre router-e indică reţele punct-la-punct. În parte a figurii este înfăţişată o reţea cu router-ele conectate la ea urmată de graful corespunzător. Două router-e interconectate printr-o reţea punct-la-punct sunt reprezentate în graful orientat ca fiind conectate printr-o pereche de conexiuni, câte una în fiecare direcţie. Nu este obligatoriu ca interfeţelor conectate în reţeaua punct-la-punct să li se asigneze adrese IP. Astfel de reţele punct-lapunct se numesc fără adresă (unnumbered). Reprezentarea grafică a reţelelor punct-la-punct este concepută astfel încât aceste reţele fără adresă să poată fi suportate în mod natural. Când se asignează adrese IP interfeţelor, acestea sunt modelate ca rute finale. De remarcat că, în această situaţie, fiecare router va avea o conexiune finală către adresa interfeţei celuilalt router. (figura 4.9) Când mai multe router-e sunt ataşate la o reţea multiacces, garful orientat asociat va conţine toate router-ele conectate bidirecţional la reţea (figura 4.9). Dacă la o reţea multiacces este ataşat numai un singur router, în graful corespunzător reţeaua va apărea ca o conexiune finală. de la RT1 RT2 s RT1 X p RT2 X r Ia X e Ib X Reţea fizică punct-la-punct

204 s p r e RT3 RT4 RT5 RT6 de la RT3 RT4 RT5 RT2 N2 X X X X N2 X X X X Reţea multiacces de la s RT7 N3 p RT7 X r e N3 X Reţea multiacces finală Figura 4.9 Componentele hărţii reţelei Fiecare reţea (finală sau de tip tranzit) din graf are o adresă IP şi o mască de reţea asociată. Masca indică numărul de noduri din reţea. Host-urile ataşate direct la router-e apar în graf ca reţele finale. Masca de reţea pentru un host este totdeauna (0xffffffff), ceea ce indică prezenţa unui singur nod Arborele celei mai scurte căi (shortest-path tree) Când nici o zonă OSPF nu e configurată, fiecare router în sistemul autonom are o bază de date topologică identică, conducând la o reprezentare grafică identică. Pe baza acestui grafic, un router îşi generează tabela de rutare, prin calcularea unui arbore al celor mai scurte căi având ca rădăcină router-ul însuşi. Evident arborele depinde de router-ul care efectuează calculele. După ce este creat arborele, este examinată informaţia de rutare externă. Aceasta poate fi generată de un alt protocol de rutare ca EGP, sau poate fi configurată static. Rutele implicite (default) pot fi de asemenea incluse ca parte a informaţiilor de rutare externă a sistemului autonom. Informaţia externă este retransmisă (prin flood-are) nemodificat prin sistemul autonom

205 OSPF suportă 2 tipuri de metrică externă. Tipul 1 este echivalent cu metrica link state. Tipul 2 este reprezentat de metricele mai mari decât costul oricărei căi interne a sistemului autonom. Utilizarea tipului 2 presupune că rutarea între sisteme autonome reprezintă costul principal al rutării unui pachet şi elimină nevoia de conversie a costurilor externe în metrici interne de tip link state. OSPF permite gruparea unei colecţii de reţele host-uri contigue. Un astfel de grup, împreună cu router-ele având interfeţe conectate la oricare din reţelele incluse, poartă numele de zonă (arie). Fiecare zonă rulează o copie separată a algoritmului de rutare de tip link state. Acesta înseamnă că fiecare zonă are propria ei bază de date topologică şi graful corespunzător. Topologia unei zone este invizibilă din exteriorul zonei. Router-ele aflate într-o zonă dată nu ştiu nimic despre topologia externă zonei respective. Această izolare permite protocolului să efectueze o reducere semnificativă a traficului de rutare faţă de situaţia în care întregul sistem autonom ar fi tratat ca un singur domeniu link state. Odată cu introducerea zonelor, nu mai este valabilă ideea că toate router-ele din sistemul autonom au baze de date topologice identice. Un router are o bază de date separată pentru fiecare zonă la care este conectat. (Router-ele conectate la mai multe zone sunt denumite router-e de graniţă). Două routere aparţinând unei zone au pentru acea zonă baze de date topologice identice. Rutarea în sisteme autonome are loc la 2 nivele. Dacă sursa şi destinaţia unui pachet se află în aceeaşi zonă este folosită rutarea intra-zonală; dacă se află în zone diferite este folosită rutarea interzonală. În cadrul rutării intra-zonale, pachetul este rutat numai pe baza informaţiei obţinută în cadrul zonei. Nici o informaţie de rutare obţinută din afara zonei nu poate fi utilizată. Acest lucru protejează rutarea intra-zonală de injectarea informaţiei de rutare eronate Sisteme autonome (Autonomous Systems) În sisteme de reţele interconectate de dimensiuni foarte mari, e necesar să se împartă reţeaua în entităţi separate cunoscute ca sisteme autonome. Un sistem autonom este o parte a unei reţele având aceeaşi autoritate administrativă. Aceasta poate fi o instituţie sau o corporaţie, dar poate fi de asemenea reprezentată de utilizarea unui protocol de rutare comun (cum ar fi OSPF). Porţiunile alăturate ale unei reţele IP, ce foloseşte OSPF pentru a distribui informaţia de rutare, se află sub autoritatea administrativă a OSPF-ului şi formează, din această cauză, un sistem autonom OSPF. Sistemul autonom poate fi mai departe împărţit în domenii, regiuni sau zone care definesc o ierarhie în cadrul sistemului autonom

206 Figura 4.10 Sisteme autonome, protocoale interior gateway, şi protocoale exterior gateway. Protocoalele folosite pentru distribuirea informaţiei de rutare în cadrul unui sistem autonom sunt cunoscute ca Interior Gateway Protocols (IGPs). Protocoalele folosite pentru distribuirea informaţiilor de rutare între sisteme autonome sunt cunoscute ca Exterior Gateway Protocols (EGPs). Interior Gateway Protocols (IGPs) Protocoalele IGP sunt protocoale de rutare intra-sa. IGP distribuie rute în interiorul SA. Exemple de IGP: RIP pentru IP. IGP de tip vector distanţă bazat pe RFC. OSPF. IGP de tip link state bazat pe RFC. Interior Gateway Routing Protocol (IGRP). IGP de tip vector distanţă implementat de Cisco Systems, Inc. Exterior Gateway Protocols (EGPs) EGP-urile sunt protocoale de rutare inter-sa. Ele definesc modul în care toate reţelele din cadrul sistemelor autonome sunt anunţate în afara sistemului autonom. Aceasta poate include o listă de

207 rute într-o infrastructură de rutare pe un singur nivel sau o listă de rute simplificate într-o infrastructură de ruatre ierahică. EGP-urile sunt independente de IGP-urile folosite în cadrul SA. Ele pot facilita schimbul de rute între sistemele autonome care folosesc IGP-uri diferite. Exemple de EGP pentru reţele IP: Exterior Gateway Protocol (EGP). Un EGP bazat pe RFC ce a fost dezvoltat pentru utilizare între sisteme autonome din Internet. EGP nu mai e folosit în Internet din cauza faptului că nu dispune de suport pentru medii complexe multi-cale şi Classless Inter-Domain Routing (CIDR). Border Gateway Protocol (BGP). Un EGP bazat pe RFC care este în mod curent folosit între sistemele autonome din Internet. BGP suplineşte lipsurile EGP-ului. Versiunea curentă de BGP folosită pentru router-ele de backbone din Internet este BGP

208 Capitolul II.09. Reţele mobile şi tehnologii wireless Cuvinte-cheie Wi-Fi, WLAN, , DSS, DCF, PCF II Generalităţi. Wi-Fi este o marca inregistrata de Wi-Fi Alliance pentru a descrie tehnologia WLAN(wireless local area networks) bazata pe standardul IEEE O retea wireless (Wi-Fi) WLAN este o retea fara fir, locala, extinsa pe arii limitate, in functie de echipamentele folosite si de puterea acestora, prin care se poate face transfer de date si internet folosind undele radio. Trebuie stiut ca Wi-Fi, prescurtarea de la "Wireless Fidelity", reprezinta o categorie de produse compatibile cu standardele WLAN (Wireless Local Area Networks) bazate pe protocoale IEEE Noile standarde care au precedat specificatiile , cum ar fi (WiMAX), fac parte din retelele actuale si ofera multe imbunatatiri, de la arii mari de acoperire pana la viteze mari de transfer. Diferentele intre o retea terestra si o retea wireless radio sunt multiple si reprezinta beneficii in favoarea retelelor wireless: - Spre deosebire de alte sisteme radio, Wi-Fi foloseste un spectru de frecvente radio care nu au nevoie de licenta deci nu necesita aprobare pentru utilizare. - Se permite dezvoltarea variata a unei retele locale WLAN fara utilizarea cablurilor, reducand costurile necesare dezvoltarii retelei si evitand diferite obstacole in implementarea retelei (locuri inaccesibile, care nu pot fi cablate).). - Multe retele Wi-Fi suporta roaming, permitand unui client sa se mute dintr-un punct de acces in altul in aceeasi cladire, sau zona geografica. - Wi-Fi este un standard global, clientii Wi-Fi putand lucra in diferite tari de pe glob. - Posibilitati variate de conectare a utilizatorului final, prin intermediul placilor Wi-Fi PCMCIA, PCI, USB sau a variatelor sisteme Wi-Fi b sau g integrate in majoritatea notebook-urilor moderne. A fost proiectata pentru a fi folosita pentru diferite dispozitive mobile cum ar fi laptopuri, dar si pentru multe alte servicii incluzand servicii de Internet si voce sau servicii pentru conectarea televizoarelor, camerelor digitale sau DVD playerelor. O infrastructura wireless poate fi realizata astazi cu cheltuieli mult mai mici decat una traditionala pe cablu. In acest fel, apar premizele realizarii accesului ieftin si usor la Internet membrilor comunitatilor locale, cu toate beneficiile ce rezulta de aici. Accesul la informatia globala constituie o sursa de bogatie la scara locala, prin cresterea productivitatii muncii bazate pe accesul la cvasitotalitatea informatiilor disponibile in lume in legatura cu activitatea prestata. Totodata,

209 reteaua devine mai valoroasa pe masura ce tot mai multi oameni se leaga la ea. Comunitatile legate la Internet au acces la piata mondiala unde au loc tot mai multe tranzactii cu viteza retelei. In acelasi timp, accesul la Internet le da oamenilor posibilitatea de a-si discuta problemele lor, politica si orice altceva ce-i intereseaza in modalitati pe care telefonul sau televizorul nu le putea pune la dispozitie. Chiar si fara accesul la Internet comunitatile legate la retele wireless se bucura de avantaje - pot colabora la diferite proiecte cu intindere geografica mare folosind comunicatii vocale, uri si transmisii de date cu costuri foarte mici. In ultima instanta, oamenii inteleg ca aceste retele sunt realizate pentru a intra mai usor in legatura unii cu altii. Wireless LAN, cunoscut si sub denumirile de WLAN, sau WiFi, desi este cea mai recenta metoda de conectare, a cunoscut in ultimii ani o crestere fara precedent a popularitatii. Aceasta popularitate se datoreaza chiar principalei sale caracteristici: lipsa cablurilor. Calculatorul se afla in retea fara sa aiba nevoie de cabluri sau conectori. Este un vis devenit realitate pentru cei care folosesc PC-uri mobile (laptop-uri sau PDA-uri) si care obtin o libertate totala de miscare in interiorul ariei acoperite de reteaua wireless. Reteaua wireless are drept componenta principala un echipament care se numeste Punct de Acces. El este un releu care emite si recepteaza unde radio catre, respectiv de la dispozitivele din raza sa de actiune. Sa luam ca exemplu o firma obisnuita, care are cabinetul Directorului la etajul 8 si o Sala de Sedinte la etajul 2 al unei cladiri de birouri. In exemplul din Fig.1 se considera ca in retea sunt doua puncte de acces. Unul la etajul 8 al cladirii, in biroul directorului si celalalt in Sala de Sedinte de la etajul 2. Directorul poate sa mearga la intalniri luandu-si cu el laptop-ul si desi nu este in biroul sau, poate sa ceara informatii secretarei sau poate sa isi cerceteze posta electronica pentru a fi la curent cu ultimele noutati, toate acestea fara sa conecteze vreun cablu

210 Fig.1 Retea wireless Exista insa si dezavantaje in cazul retelelor wireless. Pe langa cea mai usoara utilizare si cea mai mare flexibilitate, o retea wireless este totodata si cea mai expusa din punct de vedere al vulnerabilitatii la interceptari neautorizate. La nivelul fizic, oricine poate sa acceseze o retea wireless. Nu este nevoie sa tai cabluri, pentru ca mediul de propagare al datelor este aerul. Ele pot trece prin ferestre, la fel de bine cum pot trece si prin peretii subtiri din birourile obisnuite. Din fericire, nu este suficient in general sa ai acces la nivelul fizic pentru a obtine si accesul efectiv la retea, deoarece producatorii echipamentelor de comunicatii au conceput modalitati de criptare a informatiilor, care sa le faca inaccesibile intrusilor. Securitatea retelelor wireless este un punct de discutie foarte aprins, deoarece din motive de necunostinta a utilizatorilor sau de neprofesionalism al administratorilor, ori pentru a permite conectarea usoara, aceste caracteristici de protectie nu sunt intotdeauna activate. Figura urmatoare prezinta regasirea standardul WiFi intr-o asezare globala a standardelor wireless :

211 Fig.2 Standarde Wireless II Standardele IEEE Standardul IEEE a fost initiat in 1990 si finalizat in 1997 pentru a acoperi retelele care asigura conexiuni wireless intre statii fixe, portabile si in miscare pe arie locala; In loc de un singur standard (IEEE b), exista un intreg alfabet de variante wireless din care utilizatorii pot alege a, b, g si h concureaza pentru preferinta userului, ca tehnologii de baza,cu n asteptând la rând. Iar c, d, e, f si i adauga inca putina culoare acestui amestec. IEEE Prezentare generală a 54 Mbps WLAN în banda de 5 GHz b 11 Mbps WLAN în banda de 2,4 GHz c Wireless bridging d World Mode, adaptare la cerintele regionale e QoS şi extensii streaming pentru a/g/h f Roaming pentru a/g/h (Inter Access Point protocol IAPP) g 54 Mbps WLAN în banda de 2,4 GHz h a cu DFS şi TPC, 11a Europe i Autentificare şi criptare (AES, 802.1x) j a cu canale adiţionale peste 4,9 GHz, 11a Japan