Reţele de Calculatoare

 1.  Introducere

In aceasta epoca a calculului distribuit, reţelele sunt prezentate in aproape toate mediile de lucru. O reţea este un mecanism care permite calculatoarelor distincte si utilizatorilor acestora sa comunice si sa partajeze resurse. In ciuda utilizării lor pe scara larga, retelele raman cele mai misterioase dintre tehnologiile informationale.

Evoluţia reţelelor

Reţelele au fost initial soluţii de conectivitate brevetate, care erau parte integranta a unui pachet de soluţii informatice, in aceeaşi măsura brevet at. Companiile care automatizau procesarea de date sau functiile de contabilitate in epoca de dinaintea calculatoarelor personale erau obligate sa se adreseze unui singur comerciant pentru a obtine o solutie la cheie.

    Configuratiile tipice includeau terminale simple, care erau cablate la controllere de dispozitiv. Controllerele de dispozitiv asigurau accesul comun, sau multiplexat, la resursele de comunicare, ce asigurau conectivitatea cu sistemele mainframe. Aceste resurse de comunicare erau reunite intr-un procesor front-end (FEP) al sistemului mainframe. FEP permitea mai multor resurse sa partajeze un singur canal catre mainframe. Datorita diferentelor dintre viteza de intrare/iesire si viteza procesoarelor sistemului mainframe, aceasta solutie era cea mai eficienta din punct de vedere financiar.

Altfel, era utilizata o linie inchiriata cu largime de banda mica pentru traversarea distantei geografice pana la mainframe. In acel loc, linia inchiriata era conectata la canalul de intrare/iesire (I/O) al sistemului mainframe.

In aceste medii, aplicatiile software erau executate doar pe un calculator cu un unic sistem de operare. Sistemul de operare putea fi executat numai pe produsele hardware ale aceluiasi distribuitor. Chiar si echipamentul terminal si conexiunile la calculator faceau parte din aceeasi solutie integrata a unui singur producator.

In timpul domniei solutiilor integrate ale unui singur producator, au aparut doua directii de dezvoltare tehnologica, ce au schimbat cursul viitor al informaticii. In primul rand au inceput sa apara stramosii PC-urilor de astzi. Aceste dispozitive erau inovatoare prin aceea ca plasau puterea de calcul chiar pe birou.

In al doilea rand, oamenii de stiinta de la Xeror Palo Alto Research Center (PARC) au inceput sa caute modalitati de imbunatatire a productivitatii proprii. Au cautat in special un mijloc de imbunatatire a partajarii datelor si fisierelor intre statiile de lucru inteligente pe care le aveau. Metoda existenta, de partajare a dischetelor, era problematica si consuma timp.

Solutia lor a fost prima retea LAN pe care au numit-o ethernet. Aceasta era o retea LAN rudimentara care se baza, pentru o mare parte a definirii si comportarii sale, pe protocoale de nivel superior pentru inter-retele. Potentialul comercial a acestei tehnologii a devenit imediat evident. Ethernetul original, cunoscut acum ca PARC Ethernet sau Ethernet I, a fost completat de o versiune cu comportament mai bun. Aceasta solutie, dezvoltata de Xerox, Digital si Intel, a devenit cunoscuta sub numele de DIX Ethernet sau Ethernet II. Impreuna, Digital, Intel si Xerox au stabilit “standardele” pentru Ethernet II si au produs tehnologiile sale componente.

Impreuna, dispozitivele inteligente ale utilizatorilor si retelele locale vor da nastere unui nou model: prelucrarea deschisa, distribuita, in retea, a datelor.

2.1 Organizatiile de standardizare

Succesul pe care l-au avut cu Ethernet I si II a demonstrat ca piata era satula de abordarea brevetata a pachetelor pentru lucrul in retea si prelucrarea datelor. Clientii au inceput sa solicite un mediu mai deschis, care sa le permita sa construiasca aplicatii pornind de la produse amestecate, provenite de la producatori diferiti. Asa cum a aratat Ethernet, interoperabilitatea incuraja competitia, prin inovatii tehnice. Prin urmare, obiectivele interdependente ale deschiderii erau urmatoarele:

·         Costuri mai mici

·         Posibilitati mai mari

·         Interoperabilitate intre producatori

Interoperabilitatea intre producatori presupunea ca platformele diferite sa se recunoasca una pe cealalta si sa stie cum sa comunice si cum sa partajeze date. Aceasta a necesitat dezvoltarea de standarde neutre, in intreaga industrie, pentru fiecare aspect al lucrului in retea.

Nevoia de standardizare a generat un efort considerabil. Astazi, exista numeroase organizatii de standardizare, care raspund de definirea standardelor nationale si/sau internationale pentru diferite aspecte ale tehnologiilor de calcul, inclusiv pentru comunicatii de date si lucru in retea. Desi, frecvent, aceste organizatii colaboreaza sau coopereaza pentru a asigura un set de standarde cat mai universal, pot exista totusi anumite confuzii, dar efectul covarsitor este pozitiv.

ANSI – American National Standards Institute (ANSI) este o organizatie privata, nonprofit. Scopul sau este sa faciliteze dezvoltarea, coordonarea si publicarea de standarde nationale voluntare.

IEEE – Institute of Electric and Electronic Engineers (IEEE) raspunde de definirea si publicarea standardelor pentru telecomunicatii si comunicatii de date.

ISO – International Organization for Standardization (ISO) a fost fondata in 1964 si are sediul la Geneva. Este o organizatie bazata pe activitate voluntara, fara contracte, si este autorizata de Natiunile Unite pentru definirea de standarde internationale.

IEC – International Electrotechnical Commission (IEC), de asemenea cu sediul la Geneva, a fost fondata in 1909. IEC stabileste standarde internationale pentru tot ce este legat de electronica si electricitate.

IAB – Internet Architecture Board, cunoscuta anterior ca Internet Activities Board, guverneaza dezvoltarea tehnica a Internetului. Contine doua comitete de lucru: Internet Engineering Task Force (IETF) si Internet Research Task Force (IRTF).

2.2  Modelul de referinta OSI

ISO a dezvoltat modelul de referinta OSI (Open Systems Interconnection – interconectarea sistemelor deschise), pentru a facilita deschiderea interconexiunii sistemelor de calculatoare. O interconexiune deschisa este o interconexiune care poate fi acceptata intr-un mediu multiproducator. Acest model a stabilit standardul universal pentru definirea nivelurilor functionale necesare acceptarii unei astfel de conexiuni intre calculatoare.

In urma cu aproape 20 de ani, cand a fost dezvoltat, modelul de referinta OSI a fost considerat radical. La vremea respectiva, producatorii de calculatoare blocau clientii in arhitecturi brevetate, cu un singur producator. Comunicatia deschisa a fost privita ca o invitatie la competitie. Din perspectiva producatorilor, competitia era nedorita. Prin urmare, toate functiile erau integrate cat mai compact posibil. Notiunea de modularitate functionala, sau  layering (stratificare), parea in antiteza cu misiunea oricarui producator.

Este important de remarcat ca modelul a avut mare succes. Abordarea integrata anterioara, brevetata, a disparut. Astazi, comunicatiile deschise sunt un lucru necesar. In mod curios, foarte putine produse respecta in totalitate modelul OSI. In schimb, structura sa elementara, pe niveluri, este frecvent adaptata noilor standarde. Pe de alta parte, nivelul de referinta OSI ramane un mecanism viabil pentru explicarea functionarii retelei.

In ciuda succeselor sale, continua sa existe numeroase confuzii legate de modelul de referinta OSI.

Prima confuzie este aceea ca modelul de referinta OSI a fost dezvoltat de International Standards Organisation (tot ISO), cu sediul la Paris. Nu este adevarat. Modelul de referinta OSI a fost dezvoltat de catre International Organization for Standardization.

Modelul OSI clasifica diferitele procese necesare intr-o sesiune de comunicare pe sapte niveluri (straturi) functionale. Organizarea acestor straturi are la baza secventa naturala de evenimente care apare in timpul sesiunii de comunicare. Figura 1.2 prezinta modelul de referinta OSI. Nivelurile 1-3 asigura accesul prin retea, in timp ce nivelurile 4-7 sunt dedicate logisticii necesare pentru a comunica dintr-un capat in altul.

Modelul de referinta OSI	Numarul nivelului
Aplicatie	7
Prezentare	6
Sesiune	5
Transport	4
Retea	3
Legatura de date	2
Fizic	1

 Modelul de referinta OSI

Nivelul 1: Fizic

Primul nivel este numit nivel Fizic. Acest nivel raspunde de transmiterea sirului de biti. El accepta cadre de date de la nivelul 2, Legatura de date, si transmite serial, bit cu bit, structura si continutul acestora.

De asemenea, este raspunzator pentru receptionarea, bit cu bit, a sirurilor de date care sosesc. Aceste siruri sunt transmise apoi nivelului Legatura de date, pentru a fi refacute cadrele.

Acest nivel vede, literalmente, numai cifre de 0 si 1. El nu are nici un mecanism pentru determinarea semnificatiei bitilor pe care ii transmite sau ii primeste, ci este preocupat exclusiv de caracteristicile fizice ale tehnicilor de transmitere a semnalelor electrice si/sau optice. Acestea includ tensiunea electrica utilizata pentru transportul semnalului, tipul mediului si impedantele caracteristice si chiar forma fizica a conectorului utilizat la capatul mediului de transmisie.

Nivelul 2: Legatura de date

Al doilea nivel al modelului de referinta OSI est nivelul Legatura de date. Ca toate celelalte, nivelul Legatura de date are doua seturi de responsabilitati: transmisie si receptie. El raspunde de asigurarea validitatii cap-la-cap a datelor transmise.

Din punct de vedere al transmisiei, nivelul Legatura de date raspunde de gruparea in cadre a instructiunilor, datelor si asa mai departe. Un cadru este o structura inerenta nivelului Legatura de date, care contine informatii suficiente pentru a asigura transmiterea reusita a datelor, prin reteaua locala, spre destinatie.

Un transfer reusit presupune ca, la sosirea la destinatie, cadrele sa fie intacte. Prin urmare, cadrele trebuie sa contina un mecanism de verificare a integritatii continutului in timpul transferului.

Pentru o livrare garantata a datelor trebuie sa se intample doua lucruri:

·         Nodul initial trebuie sa primeasca o confirmare pentru fiecare cadru care a fost primit intact de catre nodul destinatar.

·         Inainte de a confirma primirea unui cadru, nodul destinatar trebuie sa verifice integritatea continutului cadrului respectiv.

Exista numeroase situatii care pot face ca la transmiterea cadrelor, acestea sa nu ajunga la destinatie sau sa se deterioreze si sa devina inutilizabile in timpul transferului. Nivelul Legatura de date este raspunzator de detectarea si corectarea tuturor erorilor de acest tip.

Nivelul Legatura de date este raspunzator si de reasamblarea in cadre a oricaror siruri binare primite de la nivelul Fizic. Totusi, dat fiind ca sunt transmise atat structura, cat si continutul unui cadru, nivelul Legatura de date nu reconstruieste cu adevarat un cadru. In schimb el pastreaza biti sositi pana cand are un cadru complet.

Nivelurile 1 si 2 sunt necesare oricarui tip de comunicatie, indiferent daca reteaua este LAN sau WAN.

Nivelul 3: Retea

Nivelul Retea raspunde de stabilirea rutei care va fi utilizata intre calculatorul initial si cel de destinatie. Acest nivel nu are inclus nici un mecanism de detectie/corectie a erorilor de transmisie si, prin urmare, este obligat sa se bazeze pe serviciul fiabil de transmisie cap-la-cap al nivelului Legatura de date.

Nivelul retea este utilizat pentru stabilirea comunicatiilor cu sistemele de calculatoare care se gasesc dincolo de segmentul LAN local. El poate face acest lucru pentru ca are propria arhitectura de adresare pentru rutare, care este separata si diferita de adresarea calculatoarelor la nivelul 2.

Printre protocoalele rutabile se numara:

·         IP (Internet Protocol)

·         IPX (Internet Packet Exchange)

·         AppleTalk

Utilizarea nivelului Retea este optionala. Acesta este necesar numai daca sistemele de calculatoare se afla in segmente ale retelei separate printr-un router.

Nivelul 4: Transport

Nivelul Transport ofera un serviciu similar nivelului Legatura de date, prin faptul ca raspunde de integritatea cap-la-cap a transmisiunilor. Spre deosebire de nivelul Legatura de date, nivelul Transport este capabil sa realizeze aceasta functie dincolo de segmentul LAN local. El poate sa detecteze pachetele care sunt abandonate de routere si sa genereze automat o cerere de retransmisie.

O alta functie semnificativa a nivelului Transport este resecventierea pachetelor, daca ele nu au ajuns in ordine. Acest lucru se poate intampla din diverse motive. Este posibil ca pachetele sa urmeze cai diferite prin retea, de exemplu, sau ca unele pachete sa se deterioreze in timpul transferului. In acest caz, nivelul Transport este capabil sa identifice secventa de pachete initiala si sa le rearanjeze in acea succesiune inainte de a trimite continutul lor nivelului Sesiune.

Nivelul 5: Sesiune

Al cincilea nivel al modelului de referinta OSI este numit nivelul Sesiune. Acest nivel este relativ neutilizat ca nivel separat; numeroase protocoale includ functiile acestui nivel in nivelurile lor Transport.

Functia nivelului Sesiune OSI este de a gestiona fluxul comunicatiilor in timpul conexiunii dintre doua doua sisteme de calculatoare. Acest flux de comunicatii este cunoscut ca sesiune. Acest nivel determina daca respectivele comunicatii pot fi uni sau bidirectionale. El asigura, de asemenea, ca o cerere este satisfacuta inainte de a fi acceptata una noua.

Nivelul 6: Prezentare

Nivelul Prezentare este responsabil cu gestionarea modului in care sunt codificate datele. Nu toate sistemele de calculatoare utilizeaza aceeasi metoda de codificare a datelor, iar nivelul Prezentare are rolul de translator intre metodele de codificare a datelor, altfel incompatibile, ca transformarea din ASCII in binar, samd.

Nivelul Prezentare poate fi utilizat pentru a media diferentele dintre formatele in virgula mobila, ca si pentru asigurarea serviciilor de criptarea si decriptare.

Nivelul 7: Aplicatie

Nivelul de varf al modelului de referinta OSI se numeste nivel Aplicatie. In ciuda numelui sau, acest nivel nu include aplicatii. In schimb, el asigura interfata dintre aplicatiile respective si serviciile retelei.

Acest nivel poate fi considerat motivul initierii sesiunii de comunicare.

2.1   Utilizarea modelului

Orientarea pe verticala a stivei este o expresie a desfasurarii functionale a proceselor si datelor. Fiecare nivel are interfete cu nivelurile adiacente. Pentru a comunica, doua sisteme trebuie sa transmita intre niveluri date, instructiuni, adrese si asa mai departe.

Modelul de referinta OSI	Numarul nivelului		Numarul nivelului	Modelul de referinta OSI
Aplicatie	7		7	Aplicatie
Prezentare	6		6	Prezentare
Sesiune	5		5	Sesiune
Transport	4	Fluxul logic	4	Transport
Retea	3		3	Retea
Legatura de date	2		2	Legatura de date
Fizic	1		1	Fizic

Fluxul efectiv

Comparatie intre fluxul logic si cel efectiv al comunicatiei pe niveluri

Desi comunicatiile parcurg vertical stiva, fiecare nivel este capabil sa comunice direct cu nivelurile sale omoloage de pe calculatoarele aflate la distanta. Pentru a crea aceasta adiacenta logica a nivelurilor, fiecare nivel al stivei de protocoale a calculatorului initial adauga un antet (header). Acest antet poate fi recunoscut si utilizat doar de catre nivelul respectiv sau de catre omoloagele sale de pe alte calculatoare. Stiva de protocoale a calculatorului destinatie sterge fiecare antet, nivel cu nivel, pe masura ce datele sunt transmise in sus, catre nivelul aplicatie.

De exemplu, pentru a fi prezentate nivelului 3, segmentele de date sunt grupate in pachete de catre nivelul 4 al unui calculator expeditor. Nivelul 3 grupeaza datele primite de la nivelul 4 in pachete (adica impacheteaza segmentele), le atribuie adrese si le trimite nivelului 3 al protocolului calculatorului destinatar, prin intermediul nivelului 2 propriu. Nivelul 2 grupeaza pachetele in cadre si le completeaza cu adresa recunoscuta de LAN. Aceste cadre sunt prezentate nivelului 1 pentru a fi convertite intr-un sir de cifre binare (biti), care sunt transmise nivelului 1 al calculatorului de destinatie.

Calculatorul destinatar realizeaza operatiunile inverse acestui flux, fiecare nivel stergand anteturile care au fost atasate de catre omologul sau de pe calculatorul de origine. Cand ajung la nivelul 4 al calculatorului destinatie, datele se regasesc in acelasi format in care au fost puse de nivelul 4 al calculatorului de origine. Prin urmare, cele doua niveluri 4 ale protocoalelor par sa fie adiacente fizic si sa comunice direct.

Impresia ca o comunicare se desfasoara intre nivelurile adiacente (din perspectiva nivelurilor respective) este una din explicatiile succesului modelului OSI.

3.  Bazele lucrului in retele de calculatoare

O retea de calculatoare este, in esenta, ceva care permite unui numar de doua sau mai multe calculatoare sa comunice intre ele si/sau cu alte dispozitive. Acest lucru le permite utilizatorilor sa foloseasca retelele si calculatoarele pentru a partaja informatii, pentru a colabora la o lucrare, pentru a tipari si chiar pentru a comunica direct prin mesaje adresate individual.

Retelele au numeroase componente, atat hardware, cat si software. Unele componente pot fi complet intangibile.

Inainte de a explora prea adanc printre componentele elementare ale retelelor, este important sa retineti ca retelele au evoluat in doua categorii distincte: retele locale (LAN) si retele de mare suprafata (WAN). Diferenta dintre cele doua este destul de simpla. Retelele LAN sunt utilizate pentru interconectarea dispozitivelor care se gasesc intr-o vecinatate relativ restransa. Retelele WAN sunt necesare pentru a interconecta retelele LAN aflate la distanta din punt de vedere geografic.

3.1  Componente hardware

Componentele hardware elementare includ trei tipuri de dispozitive:

·         Echipamente de transmisie

·         Dispozitive de acces

·         Dispozitive ce repeta semnalele transmise

Aceste componente sunt elementare prin faptul ca toate retelele trebuie fie sa le contina, fie cel putin, sa functioneze in preajma lor.

3.2  Echipamente de transmisie

Echipamentele de transmisie reprezinta mediul utilizat pentru a transporta semnalele unei retele catre destinatie. Tipurile de medii includ cabluri coaxiale, cabluri torsadate si fibre optice.

Tipurile de medii LAN pot fi, de asemenea, intangibile. Ele pot fi semnale luminoase, radio si microunde, transmise prin aer.

Retelele WAN au, de asemenea, echipamente de transmisie proprii. Astfel de echipamente sunt descrise de obicei prin viteza de tact si structurile lor de cadre, nu ca simple medii de transmisie. Mediul lor fizic este irelevant comparativ cu performantele lor.

3.3  Dispozitive de acces

Un dispozitiv de acces raspunde de:

·         Formatarea corecta a datelor, astfel incat sa fie acceptate de retea.

·         Plasarea datelor in retea

·         Acceptarea datelor care ii sunt adresate

Intr-o retea locala, dispozitivul de acces este cunoscut ca placa de interfata cu reteaua (NIC – Network Interface Card). NIC este o placa de circuite instalata intr-un calculator si ocupa un slot de intrare/iesire de pe placa de baza a acestuia. Reteaua este cablata apoi la portul pus la dispozitie de aceasta placa. NIC formeaza cadrele de date care trebuie transmise de aplicatiile calculatorului, pune datele in forma binara si accepta intrarea cadrelor adresate calculatorului respectiv.

Intr-o retea WAN, dispozitivul de acces este un router. Routerele opereaza la nivelul 3 al modelului de referinta OSI si includ doua tipuri de protocoale: de rutare (routing) si rutabile (routable). Protocoalele rutabile, ca IP, sunt utilizate pentru a transporta datele dincolo de limitele domeniilor de nivel 2.

Protocoalele de rutare furnizeaza toate functiile necesare realizarii urmatoarelor operatii:

·         Determinarea cailor optime prin reteaua WAN pentru orice adresa de destinatie data

·         Acceptarea si trimiterea pachetelor prin aceste cai la destinatiile lor.

3.4  Repetoare

Repetorul este un dispozitiv care accepta semnalele trimise, le amplifica si le plaseaza din nou in retea. Intr-un LAN, un repetor – cunoscut mai mult sub numele de concentrator (hub) – permite conectarea in retea a mai multor dispozitive, prin furnizarea mai multor puncte de intrare in retea. Aceasta functie este atat de importanta pentru retelele LAN actuale, incat adevaratul lor rol – regenerarea semnalului – este adesea uitat.

Capacitatea concentratorului de a regenera semnalele este la fel de vitala pentru succesul unui LAN ca si capacitatea de a asigura mai multe puncte de intrare. Semnalele electronice trimise printr-un cablu se vor deteriora in mod inevitabil. Aceasta deteriorare poate lua una din urmatoarele doua forme: atenuare sau distorsionare.

Atenuarea este scaderea puterii semnalului.

Distorsionarea este modificarea nedorita a semnalelor in timpul transferului. Fiecare dintre aceste forme de deteriorare trebuie sa fie abordata si rectificata separat.

Atenuarea poate fi compensata prin dimensionarea cablurilor la o lungime minima, pentru a garanta ca semnalul este suficient de puternic pentru a ajunge la toate destinatiile din lungul cablului. In cazul in care cablul trebuie sa fie relativ lung, poate fi instalat pe linie un repetor.

Distorsionarea este o problema mai grava in transmiterea semnalelor. Aceasta este diferita de atenuare. Semnalele distorsionate pot altera orice date transportate. Repetoarele sunt incapabile de a face diferenta dintre semnalele corecte si cele distorsionate; ele repeta semnalele fara deosebire. Exista totusi mai multe metode de combatere a distorsiunilor:

·         Urmati riguros orice instructiuni de instalare care v-au furnizate impreuna cu mediul dumneavoastra de transmisie.

·         Identificati toate sursele care pot cauza distorsiuni. In continuare, incercati sa indepartati cablurile de sursele respective. De asemenea, poate fi util sa folositi tehnologii speciale de transmisie in retea, precum cablarea prin fibre optice, care pot impiedica aparitia distorsiunilor.

·         Utilizarea protocoalelor de retea care au capacitatea sa detecteze si sa corecteze automat orice erori de transmisie posibile.

3.5   Componente software Componentele software necesare intr-o retea includ urmatoarele elemente:·         Protocoale care definesc si regleaza modul in care comunica doua sau mai multe dispozitive·         Software la nivel hardware, cunoscut ca microcod sau drivere, care controleaza modul de functionare al dispozitivelor individuale, precum placile de interfata cu reteaua.·         Software pentru comunicatii. 3.6  Protocoale Asigurarea conectivitatii fizice pentru o retea reprezinta partea cea mai usoara. Adevarata greutate consta in dezvoltarea unor mijloace de comunicare standard pentru calculatoare si alte dispozitive atasate la retea. Aceste mijloace de comunicare sunt cunoscute oficial ca protocoale.Protocoalele pentru retele LAN sunt numite frecvent arhitecturi LAN, pentru ca sunt incluse in NIC. Ele predetermina in mare masura forma, dimensiunea si mecanica retelei. 3.7  Drivere de dispozitiv Un driver de dispozitiv este un program de nivel hardware care controleaza un anumit dispozitiv. Un driver de dispozitiv poate fi privit ca un sistem de operare in miniatura pentru o singura componenta hardware. Fiecare driver contine toata logica si toate datele necesare pentru a asigura functionarea corecta a dispozitivului respectiv. In cazul unei placi de interfata cu reteaua (NIC), driverul include furnizarea unei interfete pentru sistemul de operare al gazdei. 3.8  Software pentru comunicatii Componentele hardware si software de retea care au fost descrise anterior nu au capacitatea de a-i permite unui utilizator sa foloseasca efectiv reteaua. Ele nu fac decat sa asigure infrastructura si mecanismele care permit utilizarea acesteia. Sarcina utilizarii efective a retelei cade in seama aplicatiilor software specializate, care controleaza comunicatiile.Indiferent de tipul sau complexitatea aplicatiilor, software-ul pentru comunicatii reprezinta mecanismul care face banda de frecventa cu adevarat utilizabila.