Arhitectura retelei Internet. Terminologie si notiuni de baza

Arhitectura retelei Internet. Terminologie si notiuni de baza

In capitolul 1 am prezentat o scurta incursiune in istoria retelei Internet si am luat un prim contact cu notiunile si conceptele pe care se bazeaza spatiul World Wide Web. In capitolul de fata vom incerca sa definim o serie de termeni utilizati pe scara larga in domeniul retelelor de calculatoare si sa analizam pe scurt acele concepte care fac Internetul sa functioneze.

Pentru inceput este necesar sa prezentam o serie de definitii utile:

Retea de calculatoare = ansamblu de calculatoare interconectate prin intermediul unui mediu de comunicatie (cablu UTP, cablu coaxial, linie telefonica, fibra optica, radio, satelit), in scopul partajarii resurselor asociate retelei (fizice - hardware, logice - software de baza si aplicatii, informationale - fisiere si baze de date) de catre mai multi utilizatori.

Arhitectura unei retele de calculatoare = modul de interconectare al componentelor retelei (structura globala a retelei) impreuna cu dispozitivele care o fac functionala.

Protocol de comunicatie = set de reguli si conventii pe baza caruia are loc transferul de date in cadrul unei retele de calculatoare.

Server de retea = echipament hardware (de obicei un calculator performant si fiabil, ruland un software specializat) care gestioneaza resursele unei retele de calculatoare.

Aplicatie server = aplicatie software ce furnizeaza anumite servicii altor aplicatii, numite aplicatii client sau clienti.

Calculator gazda (host) = calculator conectat la reteaua Internet, care permite stocarea si accesarea site-urilor Web; acesta ruleaza un software special numit server Web (Webserver).

Server Web = aplicatie software ce permite transferul documentelor hipermedia in reteaua Internet. Aplicatia poate fi instalata pe un server de retea dedicat sau pe un server de retea care gestioneaza si alte servicicii (posta electronica, transfer de fisiere).

Standarde. Modele arhitecturale pentru retele de calculatoare

Protocoale de comunicatie in reteaua Internet

Odata cu aparitia unei tehnologii noi, se manifesta si un fenomen de proliferare a produselor ce utilizeaza tehnologia respectiva, fiecare producator dorind sa impuna pe piata propria conceptie. Dupa un anumit timp, piata realizeaza o selectie naturala, ramanand in competitie, in general, doar produsele de calitate. Acest interval de timp duce la maturizarea tehnologiei respective si reprezinta un test al utilitatii ei. Urmeaza interminabile discutii si controverse intre firmele combatante, iar o comisie internationala incearca sa stabileasca un set de reguli si conventii obligatorii pentru toate firmele ce dezvolta produse bazate pe tehnologia in discutie. Astfel se naste un standard.

Standardul este important pentru unificarea diverselor variante ale tehnologiei respective si defineste un set de reguli generale, universal acceptate. Un exemplu il constituie chiar standardul limbajului HTML, care a fost puternic influentat de firmele ce dezvoltau navigatoare Web, fiecare dintre acestea incluzand in produsele proprii etichete noi sau variante ale etichetelor deja standardizate. Unele dintre abaterile de la standarde au fost acceptate in variantele ulterioare ale standardului HTML.

Exista cateva organizatii internationale responsabile de realizarea standardelor, dintre care amintim: ISO (International Standard Organisation), ECMA (European Computer Manufacturer's Association), IEEE (Institute of Electrical and Electronical Engineers), ANSI (American National Standards Institute).

Elaborarea standardelor pentru retele a devenit necesara datorita diversificarii echipamentelor si serviciilor, ceea ce a condus la aparitia de retele eterogene din punctul de vedere al tipurilor de echipamente folosite. In plus, multitudinea de medii fizice de comunicatie a contribuit la decizia de a defini reguli precise pentru interconectarea sistemelor.

ISO a elaborat un model arhitectural de referinta pentru interconectarea calculatoarelor, cunoscut sub denumirea de modelul arhitectural ISO-OSI (Open System Interconnection). Acesta este un model pur teoretic, cele mai multe dintre arhitecturile aparute pe piata implementand numai partial acest standard.

Modelul arhitectural care sta la baza retelei Internet este cunoscut sub numele de modelul arhitectural TCP/IP, acesta provenind de la denumirea celor mai importante protocoale de comunicatie utilizate:

TCP (Transmission Control Protocol)

IP (Internet Protocol)

Modelul TCP/IP a fost implementat in reteaua ARPANET, iar mai tarziu a fost preluat ca model al retelei Internet. Modelul TCP/IP imparte arhitectura retelei in patru nivele, construite unul deasupra altuia, fiecare nivel adaugand functionalitate serviciilor oferite de nivelul inferior. Modelul nu precizeaza cum se construiesc nivelele, dar insista asupra serviciilor oferite de fiecare si specifica modul de comunicare intre nivele prin intermediul interfetelor.

Fiecare producator poate construi nivelele asa cum doreste, insa fiecare nivel trebuie sa furnizeze un anumit set de servicii si o modalitate de comunicare cu protocoalele de pe nivelul imediat superior (o interfata - un set de parametri - prin intermediul careia se face schimbul de date intre nivele).

Proiectarea arhitecturii pe nivele determina extinderea sau imbunatatirea facila a sistemului. De exemplu, schimbarea mediului de comunicatie nu determina decat modificarea nivelului de la baza, lasand intacte celelalte nivele.

Modelul TCP/IP este compus din urmatoarele nivele, in ordine, de la baza catre varf:

Nivelul de acces la retea

Nivelul internet

Nivelul transport

Nivelul aplicatie

Vom prezenta, pe scurt, cele patru nivele ale modelului arhitectural TCP/IP asa cum sunt ele implementate in reteaua Internet.

Internetul este, de fapt, o retea ce interconecteaza retele raspandite in lumea intreaga, incadrandu-se in categoria retelelor WAN (Wide Area Network - retele cu larga raspandire geografica). Calculatoarele din Internet sunt conectate prin intermediul unor linii de comunicatie (cablu, radio, fibra optica, e.t.c) prin care se transmit datele.

Reteaua Internet poate fi privita ca un graf, care are drept muchii liniile de comunicatie, iar ca noduri un echipament hardware. Intr-un nod nu se afla neaparat un calculator gazda, ci se poate amplasa un echipament periferic (display, imprimanta) sau un controler de comunicatie (numit si nod de comutare sau router) si avand sarcina de a dirija datele in cadrul retelei.

Gazdele sunt conectate printr-o subretea de comunicatie, a carei sarcina este sa transporte datele intre host-uri. In majoritatea retelelor WAN, subreteaua de comunicatie este formata din doua componente distincte:

liniile de transmisie - transporta bitii de date intre calculatoarele conectate;

elemente de comutare - echipamente folosite pentru a conecta doua sau mai multe linii de transmisie.

Sa presupunem ca intre doua calculatoare gazda din Internet, sa le numim A si B, se realizeaza transferul unui fisier de date, natura datelor nefiind importanta in acest moment. Transferul se realizeaza in mai multe etape:

Datele din fisierul aflat pe calculatorul A sunt divizate in pachete de date de dimensiuni relativ mici (pachete IP), de ordinul sutelor de octeti, care sunt dirijate prin subreteaua de comunicatie catre calculatorul B.

Intre calculatorul sursa (A) si calculatorul destinatie (B), fiecare pachet trece prin mai multe noduri intermediare, router-ele aflate in acestea realizand dirijarea pachetelor pe traseul corect. Este posibil ca pachetele sa fie dirijate pe rute diferite, in cazul in care intre sursa si destinatie exista mai multe drumuri.

Pachetele de date sunt receptionate de calculatorul B care, pe baza informatiilor din cadrul pachetelor, realizeaza ordonarea acestora si recompunerea fisierului initial.

Cele patru nivele ale modelului TCP/IP au urmatoarele functionalitati:

Nivelul de acces la retea este responsabil pentru transmiterea fluxului de date prin intermediul mediilor de comunicatie utilizate in retea, implementarea acestui nivel nefiind detaliata in specificatiile modelului;

Nivelul internet, prin protocoalele continute, permite descompunerea datelor in pachete si transmiterea acestora prin nodurile retelei. Protocolul principal este Internet Protocol (IP), de unde si denumirea de pachete IP. Nivelul internet detecteaza si rezolva situatiile in care noduri ale retelei sunt congestionate din cauza numarului prea mare de pachete care le traverseaza

Protocolul IP foloseste pentru identificarea calculatoarelor gazda din Internet un sistem de adresare ce asociaza fiecarui host o succesiune de patru numere naturale separate prin punct, denumite adrese IP. Valorile numerelor din componenta adresei sunt intre 0 si 255.

Nivelul transport este proiectat astfel incat sa permita dialogul intre entitatile pereche din gazdele sursa si destinatie, pentru aceasta fiind definite doua protocoale bazate pe conexiuni: TCP si UDP. Protocoalele bazate pe conexiuni initiaza un dialog intre transmitator si receptor (conexiune bidirectionala), stabilesc modul in care va decurge comunicarea , initiaza si controleaza procesul de transmitere a datelor, iar in final inchid conexiunea.

Protocolul de control al transmisiei (TCP) permite ca un flux de octeti emis de o un host sa fie receptionat fara erori pe orice alt host din retea. TCP fragmenteaza fluxul de octeti in mesaje discrete (de mici dimensiuni) pe care le paseaza nivelului internet. La destinatie, procesul TCP receptor reasambleaza mesajele primite, reconstituind datele initiale. TCP realizeaza controlul fluxului de date pentru a evita situatia in care un transmitator rapid inunda un receptor lent cu mai multe mesaje decat poate acesta sa prelucreze.

Nivelul aplicatie contine protocoale ce stabilesc modul in care comunica aplicatiile software ce se executa la nivelul a doua calculatoare gazda. Cele mai cunoscute protocoale si servicii ce actioneaza la acest nivel sunt:

FTP - protocolul de transfer de fisiere (File Transfer Protocol)-permite transferul de fisiere intre doua gazde;

TELNET - terminal virtual - permite conectarea utilizatorilor pe un calculator gazda aflat la distanta;

SMTP - Simple Mail Transfer Protocol - stabileste regulile de baza privind livrarea mesajelor de posta electronica;

HTTP - Hypertext Transfer Protocol - sta la baza spatiului WWW si realizeaza transferul documentelor hypertext intre serverul Web si navigatorul Web;

HTTPS este un protocol bazat pe HTTP, care permite realizarea transferului securizat a documentelor hypertext, fiind utilizat in aplicatii sensibile din punctul de vedere al confidentialitatii datelor manipulate;

DNS - Domain Name System (sistemul numelor de domenii)- este un serviciu care permite realizarea unei corespondente intre adresa IP a unei gazde, mai putin intuitiva si mai greu de memorat, si o expresie compusa din siruri de caractere, avand forma:

nume_gazda.subdomeniu1.subdomeniu2subdomeniu_n.domeniu

De exemplu, adresei IP 193.231.139.28 i se asociaza adresa DNS beceni.licee.edu.ro.

Internetul este divizat in cateva sute de zone de nivel superior, numite domenii, fiecare domeniu cuprinzand subdomenii sau/si sisteme gazda, rezultand o reprezentare arborescenta a DNS. Domeniile de pe nivelul unu al arborelui sunt de doua categorii: generice (com, org, edu) si asociate tarilor (ro-Romania, uk-Marea Britanie, fr-Franta).

Protocolul HTTP

Denumirea HTTP este acronimul pentru Hypertext Transfer Protocol, protocol ce stabileste regulile de transfer ale documentelor hypermedia. Aplicatiile care folosesc protocolul -cei doi parteneri de la capetele unei conexiuni- sunt considerate niste entitati abstracte din punctul de vedere al protocolului.

Entitatile trebuie sa poata formula cereri si/sau receptiona raspunsuri (modelul client-server).

Sa studiem putin modalitatea de realizare a transferului fisierelor hipertext in Internet. Utilizatorul foloseste un program special pentru vizualizarea documentelor hipermedia, numit browser Web (navigator Web). Navigatorul Web este executat de calculatorul utilizatorului (calculator client) si va incerca sa acceseze un fisier aflat pe un calculator gazda din Internet (calculator server).

Navigatorul Web (aplicatie client) va initia o conexiune cu serverul Web (aplicatie server) si va negocia cu acesta modul de realizare a transferului de date, fapt ilustrat de figura 4.1.

Figura 4.1 Dialogul navigator-server Web bazat pe modelul client-server

Unul dintre conceptele de baza -preluat si de alte protocoale- este cel de resursa, aceasta desemnand un calculator, o baza de date, un document, in general un serviciu. Resursa trebuie sa poata fi referita corect si fara echivoc. Pentru referirea unei resurse in Internet, se foloseste termenul generic URI -Uniform Resource Identifier, care poate specifica:

o locatie, caz in care se vorbeste de un URL - Uniform Resource Locator sau

un nume de resursa, caz in care avem de-a face cu un URN - Uniform Resource Name.

In mod uzual sunt utilizate adresele URL pentru a identifica in mod unic un document Web, acestea avand forma:

protocol://adresa_server[:port]/dir1/dir2//dirN/fisier[?date]

unde:

protocol - este numele protocolului utilizat pentru accesarea resursei respective (HTTP, FTP, e.tc.)

adresa_server - reprezinta adresa calculatorului gazda care gestioneaza resursa;

port - portul de comunicatie utilizat pentru conexiunea cu serverul, implicit portul 80 in cazul protocolului HTTP;

dir1, dir2, ., dirN: calea catre fisier, incepand cu directorul radacina;

date - date transmise ca parametri in cazul in care fisierul accesat este un script Web.

Etapele parcurse in procesul de realizare a transferului documentului hipertext sunt urmatoarele:

Utilizatorul scrie in bara de adrese a navigatorului URL-ul documentului dorit ;

Navigatorul (aplicatie client) identifica adresa serverului ce detine resursa (folosind serviciul DNS) si initiaza o conexiune TCP cu acesta, folosind portul de comunicatie precizat (implicit portul 80). Se initiaza comunicarea dintre aplicatia client (browserul) si aplicatia server (serverul Web).

Navigatorul trimite serverului Web un mesaj/cerere (request) ce contine informatii cum ar fi: versiunea protocolului HTTP folosita, tipurile de date acceptate/suportate de client, modul de codificare a datelor, identitatea aplicatiei client (nume, versiune). Cererea permite stabilirea parametrilor pe care ii va avea transferul datelor, in functie de capabilitatile si setarile aplicatiei server.

Daca resursa ceruta exista si nu sunt restrictii privind accesul clientului la aceasta, serverul Web va emite un raspuns si va transfera fisierul cerut pe calculatorul client. In caz contrar se va emite un mesaj de eroare, in care se specifica motivul pentru care cererea nu poate fi satisfacuta.

Conexiunea TCP este inchisa.

Atunci cand documentul hipermedia contine elemente memorate in fisiere externe, navigatorul va trebui sa emita cereri separate pentru fiecare dintre acestea.