-
- 1 -
Introducere n Internet
Ce este Internetul?
........................................................................................
1 Definiie i concepte de baz
............................................................................
1 Scurt istoric al Internetului
..............................................................................
3 Definiia unui protocol de reea
........................................................................
4 Protocoalele TCP/IP
........................................................................................
5
Arhitectura Internetului
.................................................................................
6 Componente ale Internetului
..........................................................................
8
Sisteme gazd, servere i clieni
.......................................................................
8 Servicii de conexiune
......................................................................................
9
Nucleul reelei
..............................................................................................
10 Reele bazate pe comutare de circuite
............................................................. 11
Reele bazate pe comutare de pachete
............................................................ 12
Reele bazate pe comutare de mesaje
.............................................................
14
Rutarea n reele
..........................................................................................
15 Reele ce folosesc datagrame
.........................................................................
15 Reele ce folosesc circuite virtuale
..................................................................
15
Ce este Internetul?
Definiie i concepte de baz
Internetul este un termen nou, intrat de curnd n vocabularul
nostru de zi cu zi. Unii chiar abordeaz subiecte legate de
"sindromul Internet" sau dependena de Internet. Nu vom analiza aici
aspecte sociale n conexiune cu acest termen ci vom ncerca s
clarificm definiia acestuia, avnd n vedere c pn i muli utilizatori
mptimii ai Internetului nu tiu s fac deosebirea ntre Internet i Web
sau ntre serviciul de pot electronic i cel de transfer de
fiiere.
Trebuie s lmurim de la nceput c nu se poate da o definiie
complex a termenului de Internet n cteva rnduri. Avnd ns cteva
noiuni de baz i o serie de caracteristici lmurite, ne putem face o
privire de ansamblu asupra concepiei de Internet.
n primul rnd, Internetul este o reea de calculatoare (este, de
fapt, o reea de reele) la nivel mondial prin intermediul crora sunt
interconectate milioane de echipamente de calcul (aici sunt incluse
i calculatoarele personale) din ntreaga lume. O reea de
calculatoare reprezint o colecie de calculatoare interconectate
ntre ele, adic sunt capabile s schimbe informaie ntre ele
[Tanenbaum, 1996].
Pe de alt parte, Internetul este denumirea celei mai vaste
grupri de surse de informaie din lume. Reeaua de care vorbeam mai
nainte are o
-
- 2 -
dimensiune extins la mrimea planetei noastre i cuprinde o
cantitate inimaginabil de resurse fizice, logice,
informaionale.
Printre echipamentele interconectate se gsesc: calculatoare
personale, staii de lucru Unix, servere de Web sau de e-mail,
laptop-uri, pagere, telefoane mobile, etc. De curnd au fost
conectate la Internet i dispozitive electrocasnice, cum ar fi
frigiderul sau cuptorul cu microunde. Se prevede c n viitor multe
dintre echipamentele electrocasnice vor dispune de conexiune
Internet. Toate aceste echipamente sunt denumite sisteme gazd
(hosts sau end systems). Aplicaiile Internet care ne sunt tuturor
foarte familiare (pota electronic sau web-ul) sunt de fapt,
aplicaii de reea ce ruleaz pe aceste sisteme gazd.
Pentru a comunica ntre ele, sistemele gazd folosesc aa numitele
protocoale pentru controlul transmiterii, recepiei i coreciei
informaiilor care circul prin Internet. Mai multe despre protocoale
n continuarea capitolului. Dintre aceste protocoale, TCP
(Transmission Control Protocol) i IP (Internet Protocol) sunt cele
mai importante protocoale folosite n Internet. De asemenea, pentru
asigurarea conexiunii ntre ele, sistemele gazd folosesc legturi de
comunicaie ce constau din diverse tipuri de cabluri, printre care
cablu coaxial, torsadat, fibr optic sau pot fi conexiuni fr fir,
prin unde radio, de exemplu. Una dintre caracteristicile importante
ale acestor legturi este viteza teoretic de transfer a datelor care
este denumit lime de band (bandwidth) i care se exprim n bii sau
multipli ai acestora pe secund.
Sistemele gazd nu sunt interconectate direct ntre ele, ci prin
intermediul unor dispozitive intermediare denumite rutere. Pe
scurt, un ruter este un dispozitiv care preia informaia ce ajunge
la el prin intermediul uneia dintre legturile (de intrare) de
comunicaie i o trimite mai departe pe o alt legtur (de ieire) de
comunicaie. Formatul informaiilor care sunt recepionate i transmise
mai departe ntre rutere i sistemele gazd sunt precizate de
protocolul IP. Acest protocol reprezint "limbajul universal" al
Internetului i de aceea se mai numete i "Internet dial tone".
Drumul pe care l parcurg informaiile de la transmitor la receptor
poart numele de rut (route sau path) n reea.
Modalitatea de stabilire a unei conexiuni n Internet (pentru a
putea transmite informaii de la un transmitor la un receptor) se
bazeaz pe o tehnic denumit comutare de pachete, care permite mai
multor sisteme s comunice pe o rut (sau o poriune dintr-o rut)
Internet, n acelai timp. Topologia Internetului (structura
sistemelor conectate la Internet) este ierarhizat n modul urmtor:
la baz sunt sistemele gazd conectate la un ISP (Internet Service
Provider - Furnizor de Servicii Internet) local prin intermediul
unor reele de acces, furnizorii locali sunt conectai la nite
furnizori naionali sau internaionali, iar acetia din urm sunt
conectai mpreun la cel mai nalt nivel din aceast ierarhie.
Este interesant de remarcat faptul c pot fi adugate noi
componente sau nivele (noi reele sau noi reele de reele) n aceast
topologie ierarhic ntr-o manier foarte simpl, aa cum ai aduga noi
piese ntr-un joc de Lego [Kurose 2001]. Internetul a crescut n
ultimii ani i continu s creasc ntr-un ritm exponenial: dac n prima
jumtate a lui 1996 au fost adugate aproximativ 3.000.000 de
host-uri (sisteme gazd) [Network 1996], n prima jumtate a lui 2001
au aprut 16.000.000 de noi host-uri conectate la Internet [Network
2001].
-
- 3 -
Aceast reea uria care este Internetul nu ar fi s-ar fi putut
crea dac nu ar fi fost create, testate i implementate o serie de
standarde. Dac n faza incipient a reelelor de calculatoare (anii
1970) era imposibil s interconectezi computere provenite de la
diveri productori (un computer IBM cu un server Gateway, spre
exemplu) datorit incompatibilitii protocoalelor folosite, treptat
s-a ajuns la concluzia c trebuie folosite standarde generalizate de
comunicaie pentru a putea interconecta diverse echipamente
provenite de la diveri productori. Astfel au luat fiin aa numitele
standarde deschise (open-standards) i necesitatea conectivitii
indiferent de platform (cross-platform). Aceste standarde sunt
dezvoltate de organisme internaionale specializate, precum IETF
(Internet Engineering Task Force) ale cror documente poart
denumirea de documente RFC (Request For Comments). Dup cum reiese i
din denumirea original (cereri pentru observaii, comentarii),
RFC-urile s-au nscut pentru a rezolva problemele arhitecturale ale
predecesorilor Internetului.
Documentele RFC au evoluat astfel nct acum sunt adevrate
standarde, documente tehnice i detaliate, care cuprind definiii de
protocoale cum ar fi TCP (Transmission Control Protocol), IP
(Internet Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) sau HTTP
(Hyper Text Transfer Protocol). La ora actual exist peste 2000 de
documente RFC. Copii ale documentelor RFC sunt gzduite de numeroase
site-uri Web. Una dintre aceste locaii este la Institutul de tiine
ale Informaiei (ISI Information Sciences Institute -
http://www.rfc-editor.org). Alte locaii sunt:
http://www.faqs.org/rfcs, http://www.pasteur.fr/other/ computer/RFC
i http://www.csl.sony.co.jp/rfc/.
Internetul este un domeniu public, care cuprinde, dup cum am mai
spus, o varietate de reele publice ale unor companii private,
instituii educaionale sau guvernamentale. Exist ns i reele
asemntoare private, ale cror calculatoare gazd nu sunt accesibile
din afara reelei respective. O astfel de reea se numete intranet i
de regul folosete aceleai tehnologii ca cele folosite n
Internet.
Scurt istoric al Internetului
Funcionarea Internetului se bazeaz pe protocolul TCP/IP, care
este de fapt o colecie de protocoale dintre care cele mai
importante sunt TCP i IP, de unde provine i denumirea de TCP/IP. De
multe ori ntlnim denumirea de stiv de protocoale TCP/IP (TCP/IP
Protocol Stack). Pentru a nelege funcionarea unei reele TCP/IP
(bazat pe TCP/IP) trebuie s cunoatem o serie de considerente care
au stat la baza naterii reelei Internet i a stivei de protocoale
TCP/IP.
Dac la nceputurile dezvoltrii sistemelor de calcul comerciale
(sfritul anilor '60, nceputul anilor '70) companiile foloseau
arhitecturi i protocoale proprietare (ce aparineau unui anumit
productor), treptat s-a ajuns la nevoia de a achiziiona echipamente
provenite de la mai muli productori. Aceste echipamente trebuiau
interconectate i fcute s lucreze mpreun pe baza acelorai standarde
i protocoale.
Utilizarea computerelor n programul ageniei americane de stat
ARPA (Advanced Research Projects Agency) din cadrul Departamentului
de Aprare (DOD Department Of Defense) a condus la elaborarea
coordonrii dezvoltrii unei reele independente de productor pentru a
conecta marile centre de cercetare. Necesitatea unei astfel de
reele a fost prima prioritate a acestui
-
- 4 -
program, avnd n vedere c, iniial, fiecare centru de cercetare
folosea tehnologii proprietare. Anul 1968 a marcat nceputul
elaborrii unei reele bazate pe comutare de pachete, care mai trziu
a devenit reeaua ARPAnet.
Reeaua ARPAnet a fost prima reea de calculatoare de arie larg
(WAN Wide Area Network) din lume, conceput s permit unor pachete de
date s fie rutate n reea ca entiti de sine stttoare. Acest lucru a
reprezentat o revoluie n domeniu, deoarece reelele anterioare se
bazau pe comutarea de circuite, ce nsemna stabilirea de conexiuni
dedicate ntre dou locaii pentru ca acestea s poat schimba date. Mai
mult, ARPAnet oferea pentru prima dat posibilitatea interconectrii
mai multor locaii ntr-o topologie neregulat, permind datelor s
circule ntre oricarea dintre aceste locaii pe diverse rute.
Conceptul de baz era urmtorul: dac una din locaii era distrus
(eventual bombardat ntr-un rzboi s nu uitm c era vorba despre un
proiect militar), acest lucru nu afecta comunicaiile dintre
celelalte locaii care fceau parte din reea.
n aceeai perioad de timp i ali furnizori de servicii de reea au
nceput s dezvolte conexiuni cu locaii din reeaua ARPAnet, ceea ce a
dus treptat la apariia termenului de Internet. n anii urmtori tot
mai multe organizaii au fost adugate n ARPAnet, n paralel cu
dezvoltarea altor reele i tehnologii de reea, precum Ethernet.
Toate aceste dezvoltri ulterioare au condus la concluzia c este
nevoie de o serie de protocoale de reea care s opereze la un nivel
superior celui fizic, astfel nct s se permit schimbul de informaii
ntre diverse reele fizice. Aceste protocoale trebuiau implementate
n software deasupra oricrei topologii de reea, indiferent c era
vorba despre o reea de arie larg WAN cu comutare de pachete
(ARPAnet) sau o reea local LAN (Local Area Network) Ethernet sau
Token Ring.
Definiia unui protocol de reea
Unul din termenele cele mai folosite atunci cnd este vorba de o
reea de calculatoare sau de Internet este termenul de "protocol".
Vom prezenta n continuare o definiie i cteva exemple pentru a putea
identifica un protocol.
Un protocol de reea este asemntor unui protocol uman, excepie
fcnd obiectele comunicrii: n loc s avem de-a face cu oameni, avem
de-a face cu componente hardware sau software ale reelei. Toate
activitile dintr-o reea de calculatoare (deci i din Internet) sunt
bazate pe funcionarea unui anumit set de protocoale. De exemplu,
comunicarea dintre dou calculatoare n reea se face prin protocoale
implementate n hardware la nivelul plcii de reea pentru controlul
fluxurilor de bii transmii prin intermediul suportului fizic;
protocoalele de control al congestiilor au grij s controleze viteza
de transmitere a datelor ntre un transmitor i un receptor iar
protocoalele de pot electronic guverneaz modalitatea de transmitere
i de recepie a mesajelor de tip e-mail.
n figura 1 este prezentat cazul n care un calculator face o
cerere unui server Web (asta se ntmpl n momentul n care scriem
adresa web n fereastra browserului), se primete un rspuns afirmativ
de conexiune din partea serverului i apoi calculatorul folosete un
mesaj de tip "GET" pentru a recepiona pagina respectiv. n cele din
urm, serverul returneaz coninutul fiierului ctre calculatorul care
a fcut cererea.
-
- 5 -
Ca urmare a analogiei cu comportamentul uman, putem da urmtoarea
definiie a protocolului: un protocol definete formatul i ordinea
mesajelor schimbate ntre dou sau mai multe entiti ce comunic ntre
ele, precum i aciunile ce sunt ntreprinse odat cu transmiterea sau
recepia unui mesaj sau a unui alt eveniment.
Figura 1 Analogie ntre un protocol uman i un protocol de
reea
Protocoalele TCP/IP
Naterea Internetului a dus n 1973 la nceputul dezvoltrii stivei
de protocoale TCP/IP, care se dorea a fi o colecie de protocoale de
reea bazate software care s permit oricrui sistem s se conecteze cu
orice alt sistem, folosind orice topologie de reea. Cinci ani mai
trziu, n 1978, era gata versiunea 4 IP, adic aceeai versiune pe
care o folosim i astzi. Imediat dup aceea au nceput s apar o serie
de semnale pozitive n legtur cu recunoaterea TCP/IP: Universitatea
Berkeley din California a ncorporat stiva de protocoale TCP/IP n
versiunea proprie de UNIX-FreeBSD (distribuit gratis) ce avea s
devin cel mai folosit sistem de operare n comunitile academice i de
cercetare.
Introducerea la scar larg a suitei de protocoale TCP/IP a produs
o serie de schimbri majore n lumea reelelor de calculatoare. n
primul rnd, topologia de baz a unei reele era concentrat pe un nod
central, n care fiecare sistem ataat trimitea datele unui nod
central (pe post de dispecer) pentru a fi procesate. Cu alte
cuvinte, utilizatorii din reea nu aveau independen n lucru, orice
procesare, tiprire la imprimant, etc. trebuind s treac pe la nodul
central.
-
- 6 -
Figura 2 Arhitectura general a Internetului
Odat cu introducerea TCP/IP, lucrurile s-au schimbat: s-a
introdus
"descentralizarea", astfel nct fiecare echipament din reea era
tratat independent i complet funcional, fr a mai depinde de un nod
central. Comunicarea cu alt echipament din reea se putea face acum
direct, fr s se comunice mai nti cu nodul central. Reelele bazate
pe protocolul IP sunt oarecum anarhice, fiecare echipament acionnd
pe cont propriu ca o unitate autonom, responsabil pentru serviciile
de reea proprii [Hall 2000]. Aceast concepie arhitectural a permis
partajarea aplicaiilor i a resurselor la scar larg, avnd n vedere c
un model centralizat top-down nu era viabil n cazul existenei a
milioane de echipamente larg rspndite. n plus, acest model oferea
siguran n exploatare n cazul "cderii" unei componente din reea, n
contrast cu modelul centralizat n care toat funcionarea se oprea n
cazul "cderii" nodului central.
Arhitectura Internetului
De-a lungul timpului, ARPAnet a evoluat ntr-o "reea de reele",
folosind TCP/IP i conectnd ntre ele diverse organizaii comerciale,
educaionale, politice, etc. A rezultat astfel o structur general
destul de neregulat a Internetului (Figura 2). n reeaua Internet
exist:
Furnizorii de servicii Internet care asigur clienilor acces la
Internet - ISP (Internet Service Provider);
-
- 7 -
Furnizorii de servicii de reea, care asigur conexiunile ntre
furnizorii de acces la Internet din ntreaga lume - NSP (Network
Service Provider sau Backbone Provider);
n figur se mai pot observa aa numitele NAP (Network Access
Points) care reprezint punctele de acces la reea.
Astzi se tinde spre o arhitectur mai structurat, organizat
ierarhic ca un arbore (Figura 3).
La primul nivel din arbore se afl civa furnizori de servicii
care ofer majoritatea serviciilor de interconectare la nivel unei
ri sau la nivel mondial, care se numesc furnizori naionali.
Majoritatea acestor firme sunt mari companii de telecomunicaii
specializate n reele de scar larg.
Pe urmtorul nivel n arbore gsim furnizorii de acces Internet sau
de servicii Internet (ntlnii uneori i sub denumirea de IAPs
Internet Access Providers) pe care i denumim furnizori regionali.
Acetia ofer acces la nivel unei localiti sau regiuni geografice
restrnse, avnd servicii de conexiune la viteze mai reduse dect
furnizorii naionali.
Figura 3 Structura ierarhic a Internetului
Urmtorul nivel l constituie clienii reelei (fie ei clieni PC sau
servere) ce sunt conectai prin intermediul unui furnizor de
servicii Internet la un punct de acces la reea, de unde se face
legtura spre ntreaga reea Internet.
Punctele de acces la reea sunt, de regul, bazate pe tehnologie
ATM i FDDI; n Statele Unite cele mai cunoscute astfel de companii
sunt: PacBell, Sprint, MAE-East i MAE-West.
-
- 8 -
Componente ale Internetului
Sisteme gazd, servere i clieni
Computerele folosite n jargonul reelelor de calculatoare sunt
denumite, de regul, calculatoare gazd (hosts) sau sisteme terminale
(end-systems). Denumirea de calculator gazd provine de la faptul c
acesta gzduiete programe de nivel aplicaie (program de e-mail,
navigator web sau program de chat). Denumirea de sisteme terminale
provine de la faptul c ele se afl la "marginea" Internetului (vezi
figura 4). Calculatoarele gazd se mpart n dou categorii: clieni i
servere. Clienii sunt reprezentai de calculatoare PC sau staii de
lucru, n timp ce serverele sunt calculatoare mai puternice care au
de obicei funcionaliti specifice: pot fi servere de baze de date,
servere de mail sau servere de Web, etc. Sintagma client/server
este ns cu mult mai important n cadrul reelelor de calculatoare,
avnd n vedere faptul c majoritatea acestora folosesc modelul
client/server. Conform acestui model, un program client ce ruleaz
pe un sistem terminal cere i primete informaii de la un program
server ce ruleaz pe alt sistem terminal. Cele mai multe aplicaii
Internet (Web, e-mail, ftp, telnet) folosesc acest model; datorit
faptului c un program client ruleaz pe un calculator i programul
server ruleaz alt calculator, aceste aplicaii se mai numesc i
aplicaii distribuite.
Dac cele mai multe sisteme terminale sunt formate din
calculatoare personale, staii de lucru i servere, n ultimul timp au
aprut din ce n ce mai multe echipamente conectate la Internet ca
sisteme terminale (camere digitale, sisteme WebTV, etc.)
[Dertouzous 1999].
Figura 4 Componente ale Internetului
-
- 9 -
Servicii de conexiune
Sisteme terminale aflate n reea comunic ntre ele i fac schimb de
informaii conform unui protocol de comunicaie. Serverele, ruterele,
legturile fizice i alte componente ale Internetului ofer mijloacele
transportrii acestor mesaje ntre aplicaiile sistemelor terminale.
Serviciile de conexiune oferite se mpart n dou tipuri: servicii
neorientate pe conexiune (connectionless) i servicii orientate pe
conexiune (connection-oriented).
Serviciile orientate pe conexiune
ntr-un astfel de serviciu, programele client i server trimit
pachete de control unul altuia nainte de a trimite pachetele cu
date. Acest procedeu se numete handshaking ("strngere de mn") i are
rolul de a ateniona att clientul ct i serverul c urmeaz s aib loc
schimbul de date.
O dat ncheiat procedura de handshaking, se spune c se stabilete
o conexiune ntre cele dou sisteme terminale. Sistemele terminale
sunt informate despre aceast conexiune dar modalitatea prin care
pachetele care sunt trimise de la surs la destinaie prin Internet
nu permite stocarea unor informaii legate de starea conexiunii.
Serviciul orientat pe conexiune din Internet ofer i alte servicii
ce in de transferul sigur al datelor, de controlul fluxului sau de
controlul congestiilor.
Transferul sigur al datelor (reliable data transfer) nseamn
faptul c o aplicaie se poate baza pe conexiune pentru a transmite
datele fr erori i n ordinea corect. Sigurana transmisiei datelor n
Internet se face prin utilizarea confirmrilor i a retransmisiilor.
Pentru a ne face o idee general asupra modului n care funcioneaz
acest lucru, s presupunem c a fost stabilit o conexiune ntre dou
sisteme terminale X i Y. Atunci cnd X primete un pachet de la Y, i
trimite o confirmare; atunci cnd Y primete confirmarea, atunci el
tie c respectivul pachet a ajuns la destinaie. Dac sistemul Y nu
primete confirmarea, atunci presupune cpachetul respectiv nu a fost
primit de ctre X i n acest caz retransmite pachetul.
Controlul fluxului este folosit pentru a ne asigura de faptul c
nici una dintre prile implicate n conexiune nu-i aglomereaz
"interlocutorul" trimind mai multe date dect acesta este capabil s
recepioneze n unitatea de timp. ntr-adevr, o aplicaie de la unul
dintre capetele conexiunii poate s nu fie n stare s proceseze
informaia la fel de repede aa cum ea sosete, existnd riscul
supra-ncrcrii. Serviciul de control al fluxului foreaz sistemul ce
transmite datele s reduc viteza de transmitere ori de cte ori apare
riscul supra-ncrcrii.
Serviciul de control al congestiilor previne intrarea ntr-o
situaie de blocaj. Cnd un ruter devine congestionat, dimensiunea
memoriilor sale tampon poate fi depit i s se produc pierderi de
pachete. n astfelm de situaii, dac fiecare dintre sistemele pereche
ce comunic continu s trimit pachete n reea, are loc un blocaj i
astfel puine dintre aceste pavhete vor mai ajunge la destinaie.
Internetul evit aceast problem fond sistemele terminale s-i reduc
ratele de transfer la cer trimit pachete n reea n astfel de
perioade de congestie. Sistemele terminale sunt atenionate de
existena congestiilor atunci cnd nu mai primesc confirmri pentru
pachetele pe care le-au trimis la destinaie.
Transferul sigur de date, controlul fluxului i controlul
congestiilor nu reprezint caracteristicile generale ale unui
serviciu orientat pe conexiune; orice
-
- 10 -
serviciu sau protocol orientat pe conexiune are la baz doar
procedura de handshaking pentru iniierea transferului de date ntre
cele dou sisteme terminale. Serviciul orientat pe conexiune al
Internetul este TCP (Transmission Control Protocol), definit iniial
n documentul RFC 793. Caracteristicile TCP includ transferul sigur
de date, controlul fluxului i controlul congestiilor. Detalii
despre toate acestea vor fi prezentate n capitolul 2.
Serviciile neorientate pe conexiune
Dup cum ne putem atepta, ntr-un astfel de serviciu de conexiune
nu exist procedura de handshaking. n momentul n care una dintre
aplicaiile ce comunic trimite pachete celeilalte aplicaii,
transmitoarea trimite pur i simplu pachetele de date. Avnd n vedere
c nu mai exist procedura iniial de stabilire a conexiunii, nseamn c
datele pot fi transmise mai rapid. Cum nu exist nici confirmri de
primire a pachetelor, nseamn c cel care trimite datele nu este
niciodat sigur c acestea au ajuns la destinaie. Acest tip de
serviciu nu se ocup nici cu controlul fluxului, nici cu controlul
congestiilor. Serviciul neorientat pe conexiune din Internet poart
numele de UDP (User Datagram Protocol), definit n documentul RFC
768.
Printre aplicaiile Internet ce folosesc serviciul TCP se numr:
TELNET conectare la distan, SMTP pot electronic, FTP transfer de
fiiere, HTTP World Wide Web. Exemple de aplicaii Internet care
folosesc UDP sunt: Internet phone, audio-la-cerere
(audio-on-demand) i video conferina.
Nucleul reelei
La capetele terminale ale Internetului am vzut c se gsesc
sisteme gazd, sisteme client sau sisteme server precum i diverse
alte echipamente. S ptrundem n continuare n inima reelei Internet,
n "nucleul" su, pentru a vedea cum se petrec lucrurile aici. Miezul
sau nucleul unei reele de calculatoare este conceput de regul
folosindu-se unul dintre cele dou concepte de baz: comutarea pe baz
de circuite sau comutarea pe baz de pachete.
Diferena esenial ntre aceste dou abordri este urmtoarea: n
reelele bazate pe comutare de circuite, resursele necesare de-a
lungul unei rute din reea pentru comunicaia dintre sistemele
terminale sunt rezervate pe durata sesiunii de comunicaie, n timp
ce n reelele bazate pe comutare de pachete, acestea nu sunt
rezervate. n acest ultim caz, sistemele solicit resurse atunci cnd
au nevoie de ele, de aceea pot fi introduse ntr-o coad de ateptare
pentru a avea acces la resurse.
Reelele telefonice clasice sunt exemple de reele bazate pe
comutare de circuite. nainte ca cineva s trimit informaia (voce sau
fax) folosind reeaua telefonic, aceasta trebuie s stabileasc n prim
faz o conexiune ntre expeditor i destinatar, conexiune care se
numete circuit. Atunci cnd acest circuit este creat, se rezerv o
rat de transmisie constant pe toat durata conexiunii. Aceast
rezervare permite expeditorului s trimit date destinatarului la o
vitez constant garantat.
Spre deosebire de reeaua telefonic clasic, reeaua Internet este
o reea bazat pe comutare de pachete. S vedem ce se ntmpl cnd dorim
s transmitem informaii la o anumit destinaie ntr-o astfel de reea.
Ca i n cazul comutrii de circuite, informaiile sunt transmise de-a
lungul unor legturi de
-
- 11 -
comunicaie. n cazul comutrii de pachete, pachetele de date sunt
transmise n reea fr rezervarea prealabil a unei limi de band i fr a
se stabili o vitez garantat de transfer. Dac una din legturi este
congestionat din cauza altor pachete de date care trebuie transmise
pe aceeai rut n acelai timp, atunci pachetele noastre de date
trebuie s atepte ntr-o memorie tampon la captul liniei de
transmisiune i n acest caz va aprea o ntrziere n transmiterea
pachetelor de date. Internetul face tot posibilul s transporte
datele la destinaie n cele mai bune condiiuni, dar nu ne ofer nici
un fel de garanie c acest lucru se va ntmpla. Acest sistem de
transport de date se numete transport best effort.
Trebuie s remarcm faptul c nu toate reelele de telecomunicaii
pot fi clasificate drept reele pur bazate pe comutare de circuite
sau pe comutare de pachete. Spre exemplu, ntr-o reea ATM o
conexiune poate s fac o rezervare a resurselor i totui trebuie s
atepte n cazul apariiei unei congestii.
Figura 5 Reea bazat pe comutare de circuite
Reele bazate pe comutare de circuite
Vom oferi n continuare o descriere general asupra reelelor
bazate pe comutare de circuite, pentru a nelege mai bine diferena
ntre acest tip de reele i cele bazate pe comutare de pachete. n
figura 5, cele trei comutatoare de circuite sunt interconectate
prin intermediul a dou legturi; fiecare dintre acestea folosete n
circuite, astfel nct fiecare legtur de comunicaie poate avea n
comunicaii simultane. Sistemele terminale sunt direct conectate la
unul dintre aceste comutatoare iar unele pot avea acces analog la
comutatoare iar altele acces digital. n cazul accesului analog,
este necesar un modem pentru acces. Atunci cnd dou sisteme vor s
comunice ntre ele, reeaua stabiliete un circuit dedicat
capt-la-capt (end-to-end) ntre cele dou sisteme terminale (sunt
posibile, de asemenea, comunicaii ntre mai multe sisteme terminale
apelurile gen conferin). n acest caz, cnd sistemul X dorete s
transmit un mesaj sistemului Y, reeaua trebuie s rezerve un circuit
pe fiecare din cele dou
-
- 12 -
legturi de comunicaie. Fiecare legtur avnd n circuite, fiecare
circuit dedicat capt-la-capt va primi o cot de 1/n din limea de
band total pe durata comunicaiei.
Un circuit din cadrul unei legturi de comunicaie este
implementat folosindu-se fie multiplexarea prin divizarea frecvenei
(FDM Frequency Division Multiplexing), fie multiplexarea prin
divizarea timpului (TDM Time Division Multiplexing). n cazul
multiplexrii FDM, spectrul de frecven al unei legturi este mprit
ntre conexiunile stabilite de-a lungul legturii. Aceasta nseamn c
legtura dedic o band de frecven pentru fiecare conexiune pe durata
valabilitii acesteia. n reelele telefonice, aceast band de frecven
are de regul mrimea de 4 KHz (4000 de Heri sau 4000 de cicluri pe
secund). Limea de band se numete bandwidth. Staile de radio FM
folosesc de asemenea, tehnica FDM pentru a partaja spectrul de
frecven al microundelor.
Tendina n telefonie este de a schimba tehnica FDM cu tehnica
TDM. Astfel, n zilele noastre majoritatea legturilor din sistemele
de telefonie din lume aplic tehnica TDM. n cazul acesteia, timpul
este divizat n cadre de durat fix i fiecare astfel de cadru este
divizat ntr-un numr fix de cuante de timp. Atunci cnd reeaua
stabilete o conexiune de-a lungul unei legturi de comunicaie,
aceasta dedic o cuant de timp din fiecare cadru conexiunii. Aceste
cuante de timp sunt dedicate pentru uzul exclusiv al acelei
conexiuni, iar o cuant de timp (pentru fiecare cadru) este
disponibil pentru transmiterea datelor.
Reele bazate pe comutare de pachete
Protocoalele pe care se bazeaz comunicaia dintre aplicaii fac
uz, de regul, de un schimb de mesaje ntre ele pentru a duce la bun
sfrit sarcina pe care o au de ndeplinit. Aceste mesaje conin
informaii ce se pot referi la controlul conexiunii sau pot conine
date efective, precum fiiere text, Postscript, pagini web sau orice
alt tip de fiiere. n reelele bazate pe comutare de pachete sursa
care trimite informaiile le divizeaz n buci mai mici de date,
numite pachete. Aceste pachete sunt trimise de la surs ctre
destinaie folosind o legtur de comunicaie i nite dispozitive care
controleaz drumul pe care o iau aceste pachete, care se numesc
rutere. Aceast operaie de coordonare a pachetelor pe drumul de la
surs la destinaie poart numele de rutare.
Majoritatea ruterelor folosesc o transmisie de tipul
store-and-forward (stocheaz-i-trimite mai departe) la intrri, care
nseamn c ruterul trebuie s recepioneze ntregul pachet nainte de a l
direciona pe urmtoarea legtur. Aceast modalitate de transmisie
creeaz o ntrziere la fiecare intrare a unei legturi de-a lungul
unei rute a unui pachet de la surs la destinaie. Tehnologii moderne
de comunicaie despre care vom discuta mai n detaliu n capitolul 5
nu mai folosesc acest tip de transmisie store-and-forward, fcnd
posibil nceperea direcionrii pachetelor de date nainte de a fi
recepionate n ntregime.
Dispozitivele de rutare posed mai multe memorii tampon
(buffere), o memorie buffer de intrare i o memorie buffer de ieire.
Memoria buffer de ieire joac un rol deosebit de important n
comutarea pachetelor. Dac un pachet ce tocmai a fost primit trebuie
retransmis de-a lungul unei legturi i aceast legtur este ocupat cu
transmisia altu pachet, acest pachet trebuie s fie stocat n memoria
buffer de ieire. Apare astfel o alt ntrziere datorat cozii de
ateptare din memoria buffer de ieire. Aceste ntrzieri sunt
variabile i depind
-
- 13 -
de nivelul aglomerrii reelei la un moment dat. Deoarece memoria
buffer are o dimensiune limitat, un pachet ce sosete poate gsi
aceast memorie ocupat cu stocarea altor pachete sosite anterior; n
acest caz se spune c avem de-a face cu o pierdere de pachete.
S considerm cazul unei reele obinuite bazate pe comutare de
pachete (figura 6). Presupunem c sistemele terminale X i Y trimit
pachete de date sistemului terminal Z. Iniial, pachetele sunt
trimise de-a lungul legturii de 100 Mbps Ethernet pn la primul
comutator, care le direcioneaz pe legtura de tip T1 (1,544 Mbps).
Dac aceast legtur nu este aglomerat, pachetele sunt trimise ntr-o
coad de ateptare n memoria buffer de ieire nainte de a fi transmise
mai departe. Secvena de pachete trimise de sistemele terminale X i
Y nu are nici o regul de aranjare; ordonarea lor n coada de
ateptare se face la ntmplare. Un astfel tip de multiplexare se
numete multiplexare statistic (statistical multiplexing).
Tehnologii relativ recente precum Frame Relay sau ATM folosesc
acest tip de tehnic de multiplexare. Vom analiza n capitolul 5 dou
tehnici de multiplexare statistic: modul de transfer sincron i
modul de transfer asincron.
X
Y
Z Coad de ateptare n memoria buffer
W
100 Mbps Ethernet
1,544 Mbps T1
45 Mbps
Figura 6 Reea bazat pe comutare de pachete
Avnd acum o imagine asupra tehnologiilor bazate att pe comutarea
de circuite ct i pe comutarea de pachete, s ncercm s facem o
comparaie ntre acestea. Susintorii comutrii de circuite au
argumentat deseori alegerea lor prin faptul c tehnologiile bazate
pe comutare de pachete nu ar fi potrivite pentru aplicaii n timp
real (apeluri telefonice sau apeluri n regim de video-conferin)
datorit ntrzierilor variabile i imprevizibile. Susintorii comutrii
de pachete argumenteaz c aceast tehnologie ofer o serie de
avantaje, precum:
Ofer o mai bun partajare a limii de band dect comutarea de
circuite;
Este mai simpl, mai eficient i mai puin costisitoare dect
comutarea de circuite.
Dar s vedem de ce este comutarea de pachete mai eficient dect
comutarea de circuite. S considerm exemplul n care o legtur de
comunicaie de 2 Mbps este partajat ntre 10 utilizatori. n
perioadele de activitate (atunci cnd se transfer date) rata de
transfer pentru fiecare utilizator este de 2Mbps/10=200Kbps.
Presupunem c perioadele de activitate reprezint 10% din timpul
total al conexiunii, restul de 90% fiind perioad de inactivitate. n
cazul comutrii de circuite, rata de 200 Kbps trebuie asigurat i
rezervat pentru
-
- 14 -
fiecare utilizator pe toat durata conexiunii. n acest mod se
asigur acces pentru exact 10 utilizatori simultan. n cazul comutrii
de pachete, dac se consider cazul a 35 de utilizatori simultan,
probabilitatea ca s existe 10 sau mai muli utilizatori activi este
mai mic de 0,0017. n cazul contrar, n care exist 10 sau mai puini
utilizatori activi (cu o probabilitate de 0,9983), rata total de
transfer este cel mult egal cu 2Mbps, adic rata maxim de transfer a
legturii de comunicaie. n acest caz, pachetele de date sunt trimise
n reea fr ntrzieri, ca i n cazul comutrii de circuite.
n cazul n care exist mai mult de 10 utilizatori activi, atunci
rata combinat de transfer va depi capacitatea legturii i astfel
coada de ateptare din memoria buffer de ieire va crete. Datorit
faptului c probabilitatea existenei a mai mult de 10 utilizatori
simultani este foarte mic, comutarea de pachete are aproape
ntotdeauna aceleai performane ca i comutarea de circuite, dar n
condiiile unui numr de utilizatori de 3,5 ori mai mare [Kurose
2001].
Soluiile tehnologice din zilele noastre adopt ambele variante de
comutare, dar este clar tendina n telecomunicaii de migrare spre
comutarea de pachete. Multe din companiile telefonice (bazate pe
comutare de circuite) existente azi au nceput s migreze ncet dar
sigur spre comutarea de pachete.
Reele bazate pe comutare de mesaje
Dup cum am mai spus, tehnologia comutrii de pachete presupune c
mesajele lungi (datele sau irurile de bii) sunt divizate n pachete
mai mici de date care apoi sunt trimise n reea. Operaia de
transformare a mesajului iniial n pachete poart numele de
asamblare, pe cnd operaia invers, de refacere a mesajului iniial
din pachete poart numele de reasamblare. Mai multe detalii despre
aceste noiuni vom prezenta n capitolul 2.
Unele dintre reelele bazate pe comutare de pachete realizeaz ns
o comutare de mesaje n acest caz sursa care trimite informaiile nu
divide mesajul n segmente; n acest caz se spune c avem de-a face cu
o comutare de mesaje, care este un caz particular al comutrii de
pachete. n figura 7 este prezentat o reea bazat pe comutare de
mesaje observm c mesajul rmne nemodifcat pe durata traversrii
reelei. n cazul comutatoarelor store-and-forward trebuie s se
recepioneze ntregul mesaj nainte de a l transmite mai departe n
reea.
surs
MESAJ
Comutator
Figura 7 Reea cu comutare de mesaje
Comutator destinaie
-
- 15 -
Rutarea n reele
Reelele bazate pe comutare de pachete se pot clasifica n dou
mari categorii: reele ce folosesc datagrame i reele ce folosesc
circuite virtuale. Diferena de baz ntre aceste dou tipuri de reele
este aceea c primul tip direcioneaz (ruteaz) pachetele n reea pe
baza adresei sistemului terminal destinaie, pe cnd cel de-al doilea
tip de reea realizeaz aceast direcionare pe baza numrului unui
circuit virtual. Pe scurt, o datagram (sau pachet) reprezint
"unitatea de msur" a datelor trimise ntr-o transmisie la nivelul
reea fr a se stabili anterior un circuit virtual. Datagrama IP este
unitatea fundamental a informaiei transmis n Internet. Exemple de
tehnologii ce folosesc circuitele virtuale sunt X.25, Frame Relay,
ATM.
Reele ce folosesc datagrame
Din multe puncte de vedere, reelele ce folosesc datagramele
funioneaz asemntor cu serviciile potale. Scrisorile trimise la o
anumit adres conin informaii precum numele destinatarului, numele i
numrul strzii, codul potal, orajul, judeul, ara, etc. Serviciile
potale in cont de adresa de pe plic pentru a direciona scrisoarea
ctre destinaie.
ntr-o reea bazat pe datagrame, aciunile sunt similare: fiecare
pachet traverseaz reeaua coninnd n header-ul su adresa destinaiei,
aceast adres avnd o structur ierarhic asemntoare cu adresa potal. n
momentul n care un comutator recepioneaz un pachet din reea, pe
baza unei tabele de rutare (ce conine adrese de destinaii) face o
alegere ctre o conexiune de ieire. Spre deosebire de reelele ce
folosesc circuite virtuale, reelele bazate pe datagrame nu stocheaz
informaii de stare a conexiunii n comutatoarele folosite pentru
rutare. Din acest motiv, reelele cu circuite virtuale cresc n
complexitate dar au avantajul de a oferi o mai mare varietate de
servicii de reea.
Reele ce folosesc circuite virtuale
Un circuit virtual (CV) este alctuit din:
Un drum (format din conexiuni de reea i comutatoare) ntre surs i
destinaie;
Un numr al circuitului (un numr diferit pentru fiecare rut a
drumului)
Intrri ntr-o tabel de tranlatare a numrului circuitului virtual
pentru fiecare comutator de-a lungul drumului n reea.
Odat stabilit un circuit virtual ntre o surs i o destinaie,
pachetele pot fi trimise mpreun cu numrul respectiv al circuitului
virtual. Deoarece un CV are un numr diferit pe fiecare legtur,
comutatorul intermediar de pachete trebuie s nlocuiasc acest numr
(pentru fiecare pachet ce traverseaz reeaua) cu unul nou. Noul numr
al circuitului virtual se obine din tabela de translatare a
numerelor circuitelor virtuale.
-
- 16 -
n figura 8 presupunem c sistemul terminal X necesit un circuit
virtual pentru a comunica cu sistemul Y. Dac reeaua alege ruta
X-C1-C2-Y, atribuind numerele 11, 22 i 33 corespunztoare celor trei
legturi din aceast rut. Atunci cnd pachetul pleac de la A are
numrul de circuit virtual 11, cnd pleac din C1 are numrul 22 i cnd
pleac din C2 va avea numrul 33. Numerele ataate conexiunilor
comutatorului C1 din desen sunt numerele interfeelor.
surs
C1
Figura 8 Circuite virtuale n reea
destinaie
X Y C2
2
1 3
C4 C3
Avnd n vedere conceptele prezentate pn acum, putem spune c o
reea de telecomunicaii poate fi n prim faz bazat pe comutare de
pachete sau pe comutare de circuite. O conexiune ntr-o reea cu
comutare de circuite poate folosi fie multiplexare FDM, fie TDM, pe
cnd reelele cu comutare de pachete pot fi reele ce folosesc
circuite virtuale sau reele ce folosesc datagrame.
O reea ce utilizeaz datagrame poate oferi servicii bazate pe
conexiune pentru unele aplicaii i servicii neorientate pe conexiune
pentru alte aplicaii. Internetul ofer ambele tipuri de servicii, pe
cnd reelele ce folosesc circuite virtuale (X.25, Frame Relay, ATM)
sunt orientate pe conexiune.