ARHITECTURI DE RETEA

Generalitati. Terminologie

Topologii de baza

Magistrala (bus)

Stea (star)

Inel (Ring)

Topologii hibride

Magistrala - Stea

"Daisy chained"

Structura ierarhica

Tipuri de retele

4.1. ETHERNET (IEEE 802.3)

4.2. TOKEN RING (IEEE 802.5)

1. Generalitati. Terminologie

LAN - Local Area Network - doua sau o mie de calculatoare, amplasate in apropiere, care partajeaza resurse, informatii

TOPOPLOGIE - amplasarea fizica a retelei - modul de aranjare fizica a infrastructurii retelei: calculatoare, dispozitive de conectare (punti, hub-uri, switch-uri), etc.

METODA DE ACCES - modul in care dispozitive plaseaza datele pe cablu. Principalele metode de acces: cele utilizate de retelele Etherenet (CSMA/CD) si cele utilizate de retelele Token Ring, FDDI (Token Passing)

LARGIME DE BANDA - masura capacitatii de transmisie a mediului de retea, masurata in Mbps

2. Topologii de baza pentru retele locale

Exemple:

TOKEN RING

10 BASE 2

10 BASE - T

Arhitectura ETHERNET

In 1973, la Centrul de Cercetari de la Palo Alto al corporatiei Xerox (PARC), Bob Metcalfe a proiectat si testat prima retea Ethernet. El a dezvoltat metode fizice de cablare ce conectau dispozitive pe Ethernet, ca si standardele care guvernau comunicatia pe cablu. De atunci, Ethernet a devenit cea mai raspandita tehnologie de retea.

Initial, comunicatia se desfasura la viteza de cca. 3 Mbps, pe un singur cablu, partajat de toate dispozitivele din retea à acesta permitea extinderea retelei fara a necesita modificari asupra dispozitivelor existente in retea.

In 1979 Digital Equipment Corporation (DEC) si Intel s-au asociat cu Xerox pentru standardizarea sistemului. Prima specificatie a celor trei companii, denumita 'Ethernet Blue Book' a fost lansata in 1980, cunoscuta si sub denumirea 'DIX standard'. Era un sistem pe 10 Mbit/s ce utiliza cablu coaxial gros ca backbone in interiorul unei cladiri, cu cabluri coaxiale subtiri legate la intervale de 2.5 m pentru a conecta statiile de lucru. Cablul coaxial gros - de regula de culoare galbena - a devenit cunoscut ca 'Thick Ethernet' sau 10Base5. Explicatia acestei denumiri:

'10' este viteza de transfer (10 Mbit/s)

'Base' se refera la faptul ca transmisia se face in banda de baza

'5' este prescurtarea de la lungimea maxima a cablului - 500 m.

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) a lansat in 1983 standardul oficial Ethernet denumit IEEE 802.3 dupa numele grupului de lucru care a raspuns de dezvoltarea sa. In 1985 a lansat versiunea 2 (IEEE 802.3a) cunoscuta sub denumirea 'Thin Ethernet' sau 10Base2, in acest caz lungimea maxima a cablului este 185 m, chiar daca '2' sugereaza ca ar trebui sa fie 200 m.

Standardele Ethernet (IEEE 802.3) sunt standarde deschise (open) si independente de producatorul de echipamente.

In anii care au urmat, Ethernet s-a dovedit ca suporta dezvoltarea tehnologiei, in special datorita extraordinarei flexibilitati si simplitatii in implementare si invatare. Succesul Ethernet-ului se explica prin echilibrul intre viteza, cost si usurinta instalarii. In mod special, capacitatea versiunii 10BaseT sa suporte functionarea la 10 Mbit/s peste cablu torsadat neecranat de telefon (UTP) a reprezentat alegerea ideala pentru medii Small Office/Home Office (SOHO) - Ethernet este o tehnologie LAN, cu retele lucrand de regula in aceeasi cladire, conectand dispozitive aflate in apropiere (maximum cateva sute de m. cablu intre ele).

Standardul care guverneaza functionarea retelelor Ethernet este IEEE 802.3 dupa cum urmeaza:

Sistemul Ethernet consta din trei elemente de baza:

Mediul fizic prin care se transmit datele

Un set de reguli de control al accesului la mediu, incorporate in fiecare interfata Ethernet, care permite mai multor calculatoare sa arbitreze corect accesul la canalul Ethernet partajat

Cadrul Ethernet, ce consta dintr-un set standardizat de biti, utilizat pentru a transporta datele prin sistem

Functionarea Ethernet-ului

Fiecare calculator echipat Ethernet poarta denumirea de statie. O statie lucreaza independent (nu exista dispozitiv central de control)

Semnalele sunt transmise serial - 1 bit in initatea de timp

Accesul la mediu - toate statiile concureaza egal pentru a transmite pe mediu pe baza protocolului CSMA/CD

Protocolul CSMA/CD

Carrier Sense (Detectarea purtatoarei) - fiecare statie asculta mediul, pentru a vedea daca este liber (quiet) - nu exista nici un semnal (purtatoare) pe canalul de transmisie. Dupa fiecare transmisie de cadru, statia care a transmis asteapta un interval de timp (inter-gap time), ceea ceasigura faptul ca accesul la canalul retelei este corect (fair) - nici o statie nu le blocheaza pe celelalte.

Multiple Access (Acces multiplu) - fiecare statie are sansa egala de a transmite - nimeni nu are prioritate. Deoarece semnalele necesita un timpfinit pentru a calatori dintr-un capat in celalalt al sistemului Ethernet, primii biti nu ajung simultan la toate statiile. Ne-simtind purtatoarea, doua statii indepartate pot incepe transmisia simultan (pentru fiecare dintre ele reteaua este 'libera') à se produce coliziunea

Colision Detection (detectarea coliziunii) - existenta metodelor de detectare a coliziunilor à statiile implicate sunt atentionate de producerea coliziunii si-si reprogrameaza instantaneu transmisia, utilizand un mecanism de backup, special proiectat in acest scop. Ca parte a acestui mecanism, fiecare statie implicata alege un interval de timp aleator de asteptatre pana cand incepe retransmisia cadrului - aceasta previne ca statiile sa faca incercari de retransmisie in acelasi timp.

CONCLUZIE: coliziunile sunt evenimenteabsolut normale si asteptate (nu semnifica, caderea retelei) pe Ethernet, indicand faptul ca protocolul CSMA/CD functioneaza asa cum a fost proiectat.

Pe masura ce se adauga noi statii retelei Ethernet si creste volumul de trafic, vor aparea mai multe coliziuni, ca parte a functionarii normele a Ethernet-ului.

Proiectarea sistemului este facuta astfel incat majoritatea coliziunilor sa fie rezolvate in intervele de timp de ordinul microsecundelor.

Daca numarul de coliziuni creste foarte mult (busy network) - apar probleme de congestie a retelei sau cand reteaua este intrerupta, statiile incep sa-si mareasca intervalul de asteptare (back-off) pana la initierea retransmisiei, proces cunoscut sub denumirea de 'truncated binary exponential backoff' - metoda automata, care permite adaptarea traficului la conditiile de functionare ale retelei. Dupa 16 incercari nereusite, consecutive, de retransmisie a unui anumit cadru (frame), interfata Ethernet va arunca cadrul.

O metoda uzuala de reducere a eventualelor congestii in reteaua Ethernet consta in separarea unui singur segment in mai multe segmente, creind astfel mai multe domenii de coliziune (filtreaza cadrele in functie de adresa MAC de destinatie)Astfel retelele Ethernet implementeaza punti (bridge), care conecteaza doua segmente de retea à cresterea diametrului retelei si reglarea traficului. Puntile pot transmite si receptiona ca si orice alt nod al retelei, dar ele nu functioneaza ca un nod normal, deoarece nu genereaza propriul trafic.

Varianta moderna a puntii este switch-ul - punte multiport, care functioneaza similar puntii, dar poate oferi cate un segment dedicat pentru fiecare nod al retelei.

Puntile / switch-urile pot reduce congestiile permitand mai multe 'conversatii' simultane pe diferite segmente, dar si ele sunt supuse limitarilor in segmentarea traficului. O caracteristica importanta a puntilor / switch-urilor este aceea ca permit transferul broadcast-urilor tuturor segmentelor conectate la retea. Acest comportament este necesar deoarece broadcast-urile Ethernet sunt destinate tuturor nodurilor din retea, dar pot pune probleme retelelor care s-au dezvoltat prea mult. Cand un numar mare de statii transmit broadcast pe o retea mare, congestia poate fi la fel de puternica ca si in cazul cand statiile ar fi pe un singur segment.

Solutiile:

utilizarea ruterelor (subnetare), care impart reteaua in retele logice separate si care nu permit trecerea mesajelor broadcast, deoarece ruterul formeaza o margine logica a retelei

crearea de VLAN-uri (Virtual LAN). VLAN-urile sunt domenii de broadcast, definite in interiorul unui switch, care permit controlul broadcast-ului, multicast-ului si unicast-ului in interiorul unui dispozitiv de nivel 2. VLAN-urile sunt definite pe un switch, intr-o baza de date interna, cunoscuta sub numele de VLAN Trunking Protocol (VTP) Database. Dupa crearea VLAN, acestuia ii sunt alocate porturi.

Retelele Ethernet pot suporta o multitudine de configuratii, dar acestea trebuie sa respecte toate regulile de conectivitate impuse se standardul IEEE 802.3. Pentru simplitate, aceste reguli au fost concentrate intr-una singura - REGULA 5 - 4 - 3, care spune ca intre oricare 2 statii ale retelei trebuie sa existe:

pana la 5 segmente inseriate

pana la 4 repetoare / concentratoare

pana la 3 segmente populate (segmente la care sunt atasate statii)

Intr-o configuratie lineara simpla (magistrala), 5 segmente (3 populate si 2 nepopulate) pot fi legate prin intermediul a 3 repetoare.

In cazul unui backbone, concentratoarele legate la backbone pot fi legate la alte concentratoare, cu segmente nepopulate sub forma unei cascade pe 2 nivele. Primul nivel poate contine pana la 30 concentratoare si fiecare dintre acestea pot fi conectate la mai multe concentratoare, pentru a forma nivelul al doilea. Numarand segmentele populate si nepopulate, precum si concentratoarele intre 2 statii se observa ca regula 5-4-3 se aplica si aici corect.

Pentru retelele Ethernet 10 Base T si 10 BASE F , existenta segmentelor populate si nepopulate  isi pierde semnificatia, iar regula 5-4-3 devene regula 5-4: intre 2 statii pot exista pana la 5 segmente de legatura si 4 concentratoare. La toate retelele cu cablu torsadat sau fibra optica, extinderea retelei poate fi facuta prin legarea concentratoarelor in cascada (2 nivele), fiecare cu topologie stea.

Livrarea datelor in reteaua Ethetnet

Sistemul Ethernet lucreaza ca un 'best effort data delivery system' . In fapt, nu exista garantia livrarii sigure a datelor. Ethernet a fost conceput sa produca un sistem care, in mod normal, livreaza datele extrem de bine. Totusi erori apar, datorita : zgomotului electric in sistemul de cablaj. Nici un sistem LAN nu este perfect, de aceea, protocoalele de nivel superior ale software-ului de retea sunt concepute sa restabileasca sistemul dupa eroare.

FAST ETHERNET (100 BASE T)

Tehnologia este similara cu cea a 10 BASE T in termenii specificatiilor si limitarilor, dar are o largime de banda mai mare.

Interfetele de retea si porturile hub-urilor si switch-urilor opereaza la 100 Mbps.

Uzual exista un LAN 10 BASE T care functioneaza de la clienti la un hub/switch central si nu LAN 100 BASE T ca backbone pentru servere.

Recomandare: utilizarea de cabluri UTP CAT 5 inclusiv pentru retele 10 BASE T, care vor putea fi folosite odata cu upgrade-ul la hub-uri / switch-uri ce functioneaza la 100 Mbps, fara a fi  necesara inlocuirea acestora.

GIGABIT ETHERNET 

Retea Ethernet ce lucreaza la viteza de 1000 Mbps (1 Gbps).

Este o tehnologie buna, cu un mediu de transmisie rapid si in continuare are la baza Ethernet-ul, fiind posibila interfatarea cu orice retea Ethernet existenta (cablu UTP CAT5).

Este o tehnologie scumpa, care nu asigura intotdeauna performantele anuntate, in principal datorita retelelor deja existente , la care se face upgrade.

Cadrul Ethernet (IEEE 802.3)

Dimensiunea maxima a cadrului: 1500 bytes.

Aceasta lungime dicteaza in cate cadre va fi impartit mesajul. Un mesaj lung va fi impartit in cadre, care vor fi transmise pe rand, cate unul odata

La statia receptoare, dupa ce ajung toate cadrele, ele sunt recombinate pentru a obtine mesajul.

Semnificatia campurilor cadrului

Antet (Preambul) - asigura componentelor din retea timpul necesar detectarii prezentei semnalului si citirii semnalului inainte de sosirea datelor -  comunica faptul ca urmeaza un cadru - anunta prezenta in retea a cadrului.

SFD 'Start Frame Delimiter' - 8 biti ce indica inceputul cadrului - in principal spune ca 'urmeaza adresa de destinatie'

Date - contine datele furnizate de catre nivelul superior (pachetul IP), nr. De biti din campul DATA,  comunica daca mesajul este complet sau este un cadru din secventa si atunci se precizeaza 1/5, 2/5, etc., pentru a putea fi recombinant la destinatie.

Daca cadrul este mai mic decat dimensiunea minima = 46 bytes (de exemplu este ultimul cadru al unui mesaj lung) à campul pad va fi umplut cu informatie pana cand va atinge dimensiunea minima a cadrului de 46 de bytes.

FCS - Frame Check Sequence

Pe baza unui algoritm matematic calculeaza CRC pentru intregul continut al cadrului. in acest numar se introduce informatia continuta de cadru - aceasta valoare se recalculeaza la receptie, si daca cele doua numere coincid se considera cadrul necorupt.

CRC - Cyclical Redundancy Check

Cum fiecare cadru este trimis intr-un mediu partajat, toate adaptoarele Ethernet citesc primii 48 biti ai cadrului care contin adresa de destinatie. Aceasta este comparata cu propria adresa MAC si:

daca cele doua adrese sunt identice, adaptorul de retea va citi intregul mesaj

daca cele doua adrese suntdiferite, adaptorul de retea va abandona citirea cadrului