Retele cu implicatii la proiectarea sistemelor

Retele cu implicatii la proiectarea sistemelor

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.

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.

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.

Arhitecturi actuale de interconectare a retelelor

Lucrul in retea este dominat in prezent de trei arhitecturi de baza. Astfel, retelele LAN bazate pe coloane distribuite (distributed backbones) sunt preferate pentru conexiunile dintre cladiri. Coloanele comprimate (collapsed backbones), grupate in jurul ruterelor de inalta performanta sunt raspandite in interiorul cladirilor, iar retelele reticulare hibride si cele distribuite in stea sunt comune pentru zonele extinse.

Aceste arhitecturi, dezvoltate in jurul modelului traditional al procesarii bazate pe LAN, sunt destinate sa asigure un transport eficient pentru aplicatiile client / server. Dar la fel ca si in cazul unitatilor de retea traditionale (hub-uri pentru medii partajate, punti, rutere), prosperitatea a generat o crestere a utilizarii si aplicatii noi, care la randul lor au cerut mai mult decat pot furniza arhitecturile actuale. In continuare voi face o trecere in revista a arhitecturilor de interconectare actuale, dupa care voi prezenta noile arhitecturi si blocuri constructive.

Coloane distribuite

Intr-o arhitectura de coloane distribuite, hub-urile de medii partajate consolideaza cablarea orizontala de pe fiecare palier, in timp ce coloana LAN realizata cu rutere conecteaza etajele. Coloana poate folosi aceeasi metoda de acces ca si cea folosita de retelele LAN de palier (spre exemplu 10 Mbps) sau poate folosi o solutie mult mai rapida, cum ar fi 100 Mbps FDDI. Din moment ce fiecare segment LAN este considerat o subretea separata, iar pachetele care traverseaza segmentele trebuie sa traverseze cel putin un ruter, serverele sunt raspandite prin toata reteaua astfel incat ele se pot atasa acelorasi segmente ca si utilizatorii lor primari, evitand astfel introducerea unor intarzieri din partea ruterelor.

Disponibilitatea reprezinta beneficiul primar al coloanelor distribuite. Din moment ce exista mai multe rutere, caderea unui singur ruter va afecta doar segmentele LAN atasate. Pe de alta parte, rutere multiple pot genera probleme de performanta si administrare. Clientii care acceseaza un server situat pe un segment diferit vor fi nevoiti sa traverseze doua rutere, ceea ce va genera o intarziere. Pentru ca ruterele si serverele sunt raspandite in toata cladirea, configurarea si intretinerea poate fi un mare consumator de timp si bani.

Coloane comprimate

Coloanele comprimate evita deficienta prezenta la coloanele distribuite. Din nou, hub-urile pentru medii partajate concentreaza cablarea LAN pe fiecare etaj. Acum insa, fata de-o desfasurare de rutere pe fiecare etaj, toate hub-urile se conecteaza sau se "comprima' intr-un singur ruter centralizat, oferind un singur punct de control. Intarzierea retelei scade deoarece serverele sunt despartite de clienti printr-un singur hop. Costurile sunt reduse prin eliminarea ruterelor multiple si printr-o exploatare economica.

Adaugarea unui hub multisegment la coloana comprimata furnizeaza un maximum de flexibilitate si capacitate de administrare. Segmentele LAN de pe etaje diferite pot fi inglobate intr-o subretea, eliminand hopul prin ruter. Serverele pot fi localizate central pentru a simplifica administrarea fara a face compromisuri legate de performanta, iar componentele redundante si functiile hot-swap din ruter confera disponibilitate.

Coloane hibride

In timp ce coloanele comprimate sunt ideale pentru cladiri, in mod uzual ele nu sunt eficiente pentru conlucrarea intre retele din mai multe cladiri; chiar si intr-un campus sau o zona de birouri. Nu este practic sa legi fiecare segment LAN la un sit central. Arhitectura preferata pentru medii cu mai multe cladiri este coloana hibrida: rutere de inalta performanta in fiecare cladire, interconectate printr-o plasa de marimea unui campus sau un backbone LAN.

Coloanele LAN sunt mult mai comune decat retelele in plasa, deoarece retelele LAN sunt mai usor de proiectat si intretinut. Deoarece LAN-ul de coloane poate folosi aceeasi metoda de acces ca si LAN-urile din cladiri, prea multe surse care alimenteaza traficul de pe coloana pot bloca reteaua. Pentru aceste cazuri, solutiile de inalta viteza ca 100 Mbps FDDI reprezinta cea mai buna alegere. Arhitectura hibrida rezultata desfasoara coloane comprimate in fiecare cladire, interconectate intre cladiri printr-o coloana distribuita bazata pe FDDI.

Limite ale cresterii

Asa cum s-a mentionat anterior, numarul de utilizatori in continua crestere, calculatoarele desktop mai puternice si noile aplicatii testeaza limitele interconectarii retelelor, dirijand cerintele desktop catre o rata de transfer din ce in ce mai mare. Insa arhitecturile actuale nu sunt proiectate pentru un asemenea nivel de performanta sau calitate a serviciului.

Segmentarea LAN reprezinta o metoda populara pentru ridicarea performantei la nivelul unei interconectari de retele. Divizand o retea LAN suprasaturata in mai multe segmente mai mici, se ofera fiecarei statii de capat o portiune mai larga de latime de banda, evitand congestia retelei. Dusa la extreme, fiecare statie ar putea deveni propriul sau segment, cu o latime de banda LAN completa.

Desi initial eficienta, segmentarea poate deveni mult prea complexa si costisitor de intretinut. Pentru ca fiecare segment LAN reprezinta o subretea separata, ea necesita o adresa unica si un port ruter dedicat. Pe masura ce numarul segmentelor creste, fiecare miscare, adaugare sau schimbare declanseaza o avalansa de reconfigurari consumatoare de timp. Mai mult, porturile ruterelor sunt proiectate si evaluate pentru un numar mare de statii de lucru, o segmentare continua ridicand aceste costuri la nivele neacceptabile.

In mod evident, pentru a suporta cresterea interconectarii retelelor si aparitia noilor aplicatii sunt necesare noi blocuri constructive si noi arhitecturi. Diferenta primara intre interconectarea traditionala si cea noua o reprezinta larga raspandire a blocurilor de comutatoare. Comutarea este cheia, atat pentru evolutia scalara a performantei, cat si pentru calitatea serviciului.

Noi arhitecturi si blocuri constructive

Limitarile actuale pe care le intampina interconectarea retelelor a inspirat dezvoltarea mai multor tehnologii noi. Doua in particular - 100BASE-T si comutarea LAN - au produs schimbari dramatice conlucrarii in retea.

LAN-uri de mare viteza

O modalitate de-a imbunatatii performanta conlucrarii in retea este de-a instala LAN-uri mai rapide. Asa cum a fost mentionat anterior, 100Mbps FDDI este deja folosit in multe cladiri si retele de campus. Insa deoarece FDDI este prea scump pentru conectivitatea desktop de baza, 100BASE-T Fast Ethernet a fost recent lansat pentru a umple golul existent.

Fast Ethernet este o extensie a standardului 10BASE-T Ethernet, doar ca este de 10 ori mai rapid. Atat 10BASE-T cat si 100BASE-T folosesc aceeasi metoda de acces CSMA/CD, permitand datelor sa fie transferate intre cele doua fara o translatare a protocolului.

Fast Ethernet este folosit in mod tipic ca si o conexiune de mare viteza catre serverele puternic folosite si utilizatorii puternici, precum si pentru conexiuni in jos catre rutere si comutatoare. Compatibilitatea cu traditionalul Ethernet ii permite lui 100BASE-T sa fie integrat in retelele existente 10BASE-T, depasind gatuirile specifice si configurand scena pentru o eventuala raspandire mai larga.

Standardul 100BASE-T include trei specificatii de mediu: 100BASE-TX, 100BASE-T4 si 100BASE-FX. Specificatia 100BASE-TX acopera transmisiile de 100 Mbps pe cablu UTP categoria 5 sau categoria 1 STP, in timp ce 100BASE-T4 suporta aceeasi rata a datelor pe cablare cat. 3, 4 sau 5 UTP. Specificatia 100BASE-FX defineste Fast Ethernet pe cablarea cu fibra optica multimode.

Comutarea LAN

Comutarea LAN, la fel ca si legaturile prin punti, subdivide retelele largi in segmente mai mici, obtinand o imbunatatire a performantei LAN la un pret coborat, in timp ce este mentinuta investitia in hard, soft si cablare. Folosita in conjunctie cu solutiile de medii partajate de inalta performanta, comutarea LAN furnizeaza suportul necesar pentru conlucrarea in retea la nivel intreprindere.

Comutatoarele LAN ofera o imbunatatire a performantei segmentarii LAN fara sa necesite rutere scumpe sau cartele de interfata cu reteaua (NIC). Si pentru ca rata de transfer a comutatoarelor creste pe masura ce sunt adaugate mai multe porturi, comutatoarele LAN ofera o solutie scalabila pentru mediile cu o cerere mare.

Comutatoarele LAN sunt similare puntilor in sensul ca ele folosesc adrese MAC memorate pentru a transmite cadre de intrare la o destinatie corespunzatoare. Dar fata de puntile conventionale, care transfera pachete folosind memoria partajata sau un bus intern, comutatoarele de cadre sunt deseori construite in jurul unei retele de comutatoare de inalta viteza, care utilizeaza circuite integrate specifice aplicatiilor (ASIC) pentru a furniza o rata de transfer mare, latenta mica si cost per port redus.

Combinarea hub-urilor pentru medii partajate cu un comutator LAN nu numai ca divide reteaua in segmente multiple, insa ofera fiecarui segment o latime de banda completa. Cu segmentarea bazata pe rutere, rata de transfer totala este multiplicata de un numar de ori egal cu numarul porturilor comutatorului. Interfetele LAN traditionale sunt folosite la fiecare port al comutatorului, protejand investitia utilizatorului si asigurand ca aplicatiile existente si sistemele de operare de retea sa ramana nemodificate.

Retele virtuale

Desi comutarea poate imbunatati conlucrarea in retea, ea poate agrava problemele vechi. Fara o structura de rutare, o interconectare comutata intre retele se comporta ca o retea LAN cu punti, accelerand congestionarea. Solutia traditionala - fiecare segment comutat sa reprezinte o subretea separata - ar crea un cosmar al intretinerii si al administrarii. Retelele virtuale, o caracteristica inerenta in majoritatea produselor de comutatie, ofera o solutie mult mai clara, decupland structura logica a retelei de forma sa fizica pentru a permite o aliniere mult mai eficienta a traficului de retea cu modelele de lucru ale utilizatorului. Retelele virtuale retin beneficiile performantei segmentarii LAN, in timp ce aranjamentul logic controleaza traficul broadcast si creeaza comunitati de interes sigure. Modelul traficului reflecta fluxul muncii mai degraba decat topologia de retea, in timp ce administrarea retelei este cu mult simplificata.

Cu retelele virtuale, interconectarea devine "tentanta'. Numarul subretelelor scade deoarece adresele subretea sunt asignate catre LAN-uri virtuale (VLAN) si nu segmentelor fizice. Administrarea adreselor este simplificata deoarece exista mai putine subretele si deoarece statiile de capat se pot muta in diferite segmente ale aceleiasi VLAN, fara a fi nevoie de o reconfigurare de adresa.

Comutarea configuratiei este o forma a modului virtual de lucru in retea. Utilizatorii de pe fiecare etaj acceseaza serverul din centrul retelei prin hub-ul de comutare a configuratiei, ocolind ruterul. Administrarea retelei este simplificata astfel printr-o centralizare a serverului, a hub-ului si a ruterului backbone.

Retele LAN de ultima generatie

Comitetul IEEE al standardelor internationale, responsabil cu dezvoltarea specificatiilor pentru transmisiile WLAN (Wireless LAN) a anuntat in San Diego, Calif. selectarea propunerii de standardizare dezvoltata de Lucent Technologies si Harris Semiconductor pentru obtinerea unei cresteri de cinci ori a ratei transmisiei de date in retelele fara fir.

Noua tehnologie, sustinuta de comitetul 802.11 al IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) va permite retelelor WLAN sa transmita date la o rata de 11 Mbps. De aceeasi importanta se bucura si facilitatea noului standard de-a permite compatibilitatea intre echipamentele WLAN de inalta viteza provenite de la dife riti furnizori.

Conform celor afirmate de Cees Links, director general Lucent al diviziei de comunicatii fara fir si retea, 'aceasta tehnologie va pune pe picior de egalitate retelele fara fir cu actualele retele cablate, atat dintr-o perspectiva a performantei cat si a intero perabilitatii. Acum, utilizatorii de PC-uri desktop respectiv portabile vor fi capabili sa-si maximizeze flexibilitatea si performanta lucrului in retele wireless.'

'Prin sustinerea acestei propuneri, comitetul 802.11 a luat o decizie extrem de importanta in directia standardizarii sistemelor Ethernet wireless de mare viteza,' a afirmat Ron Van Dell, vice presedinte si director general al diviziei produselor de comunicatii de la Harris Semiconductors. 'In timp, am observat ca odata ce piata a fost lansata, ea a migrat rapid catre rate mari de transmisie. Susti ne rea propunerii Harris/Lucent a fost cu sigu ranta o rasplata.'

Retelele LAN wireless ofera o inalta performanta si flexibilitate pentru conectarea PC-urilor desktop si notebook, a statiilor de lucru si a altor dispozitive de retea. Ele ofera de asemenea o alternativa flexibila, ieftina, pentru conectarea mai multor cladiri intr-un mediu de tip campus sau corporatie. Aplicatiile pentru retele LAN wireless includ acces Internet, productie, puncte de vanzare cu amanuntul, domeniul medical, educatie si utilizare de uz general la birou.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Retelele locale pentru transmiterea datelor, denumite pe scurt LAN (Local Area Networks), se extind pe arii limitate, adica la nivelul unui etaj dintr-o cladire, in aceeasi cladire, dar pe mai multe etaje sau in cladiri apropiate. In consecinta, mediul fizic care asigura comunicatiile intr-o retea LAN este scurt ca lungime si in aceste conditii rata de transfer a datelor este mare.

In retelele de tip LAN, topologiile cele mai raspandite sunt cele de tip STEA (STAR), BUS si INEL (RING).

In LAN-urile de tip STEA (STAR) apare o unitate centrala (HUB) la care sunt conectate toate statiile si aceasta are rolul de a pune in legatura o statie chematoare cu statia chemata.

In topologia BUS, mediul fizic prin care se asigura legatura intre statii, de exemplu un cablu coaxial, trece prin locurile unde sunt amplasate statiile. Mediul fizic de comunicare apare ca o magistrala unica pentru toate statiile. Sunt necesare prin urmare reguli prin care sa se disciplineze accesul statiilor la mediul de comunicatii precum si algoritmi care sa conduca la folosirea eficienta a capacitatii de transport a magistralei comune.

In topologia INEL (RING), mediul fizic trece de la o statie la alta ("in serie") formand un inel, legaturile intre statii fiind de tipul punct la punct. In topologia BUS cand o statie transmite, transmisia este in principiu de tip broadcast in sensul ca toate statiile legate la magistrala comuna pot receptiona mesajul transmis daca doresc