Arhitecturi de retele - arhitectura ethernet

ARHITECTURI DE RETELE

O Arhitectura de Retea cuprinde structura globala a acesteia si toate componentele care o fac functionala cum ar fi echipamentele Hardware si Software.

Exista 3 tipuri principale de Arhitecturi de Retele:

Ethernet;

Fast Ethernet;

Token Ring;

Arhitectura Ethernet

Spre sfarsitul anilpr '60, Universitatea din Hawaii a dezvoltat o retea WAN numita ALOHA. Asa cum va mai amintiti probabil dintr-o lectie anterioara, o retea WAN (Wide Area Network) extinde tehnologia LAN (Local Area Network) pe o arie geografica mai larga. Universitatea isi propusese sa conecteze calculatoarele raspandite in tot campusul sau. Una dintre principalele caracteristici ale retelei proiectate a fost faptul ca folosea ca metoda de acces CSMA/CD.

Aceasta retea a stat la baza retelelor Ethernet din zilele noastre. In 1972, Robert Metcalfe si David Boggs de la Central de Cercetari Xerox din Palo Alto (PARC) au inventat o schema de cablare si de semnalizare, iar in 1975 au prezentat primul produs Ethernet. Versiunea originala a fost proiectata ca un sistem cu viteza de 2,94 Mbps, care conecta peste 100 de calculatoare printr-un cablu de un kilometru lungime.

Arhitectura Ethernet propusa de Xerox a avut un asemenea succes incat Xerox, Intel Corporation si Digital Equipment Corporation au conceput un standard pentru retele Ethernet cu 10 Mbps. Astazi, acesta reprezinta o specificatie care descrie o metoda de conectare si partajare a cablului de catre calculatoare si sisteme de date.

Specificatiile Ethernet indeplinesc aceleasi functii ca si nivelurile Fizic si Legatura de date, din cadrul modelului OSI pentru comunicatii de date. Acest proiect reprezinta baza specificatiei IEEE 802.3.

Caracteristicile arhitecturii Ethernet

Ethernet este in acest moment cea mai populara arhitectura de retea. Este o arhitectura in banda de baza, care foloseste o topologie de magistrala, transmite de obicei la 10 Mbps si se bazeaza pe metoda CSMA/CD de organizare a traficului pe segmentele de cablu.

Mediul Ethernet este pasiv, ceea ce inseamna ca se alimenteaza de la calculator si, din acest motiv, nu va determina caderea retelei decat in cazul in care este intrerupt fizic sau impropriu terminat.

Notiuni de baza despre Ethernet

Topologia traditionala  magistrala lineara

Alte topologii magistrala-stea

Tipul arhitecturii banda de baza

Metoda de acces CSMA/CD

Specificatii IEEE 802.3

Viteza de transfer 10 Mbps

Tipuri de cablu coaxial gros, coaxial subtire, UTP

Formatul cadrului Ethernet

Ethernet fragmenteaza datele in pachete care au un format diferit fata de pachetele folosite in alte retele. Datele sunt impartite in cadre; un cadru este un pachet de informatii transmis ca o singura unitate. Un cadru Ethernet poate avea intre 64 si 1.518 octeti lungime, insa cadrul Ethernet propriu-zis foloseste eel putin 18 octeti; prin urmare, datele dintr-un cadru Ethernet pot avea intre 46 si 1500 de octeti. Fiecare cadru confine informatii de control si respecta aceeasi organizare de baza.

Fig. 7.1 Formatul unui cadru ethernet

Campul din cadru Descriere

Preambul Marcheaza inceputul cadrului.

Destinatie si sursa Adresele transmitatorului si destinatarului.

Tip Folosit pentru identificarea protocolului de

nivel Retea (IP sau IPX).

CRC (informatii de verificare) Camp pentru verificarea erorilor; se determina daca datele cadrului nu au fost alterate.

Standardele IEEE pentru 10 Mbps

Aceasta sectiune prezinta patru topologii Ethernet de 10 Mbps:

10BaseT

10Base2

l0Base5

l0BaseFL

10BaseT

In 1990, comitetul IEEE a publicat specificatia 802.3 penlru retele Ethernet cu cablu torsadat. 10BaseT (10-10Mbps, Base - banda de baza, T - twisted pair, sau cablu torsadat), este o retea Ethernet care foloseste de obicei cablu UTP (cu fire torsadate, neecranate) pentru conectarea calculatoarelor. Poate fi folosit insa si cablu STP (cu fire torsadate si ecranate), fara a modifica parametrii impusi de 10BaseT.

Majoritatea retelelor de acest tip sunt configurate in stea, insa intern, folosesc sistemul de semnalizare pe magistrala, ca toate celelalte configuratii Ethernet. De obicei, concentratorul unei retele 10BaseT serveste drept repetor multiport, fiind amplasat intr-o camera de conexiuni a cladirii. Fiecare calculator este legal la celalalt capat al cablului conectat la concentrator si foloseste doua perechi de fire - una pentru a receptiona date, iar cealalta pentru a transmite date.

Lungimea maxima a unui segment 10BaseT este de 100 de metri (328 picioare). Repetoarele pot fi folosite pentru a man aceasta raza de actiune. Lungimea minima a cablului intre calculatoare este de 2,5 metri (aproximativ 8 picioare). O retea locala

10BaseT poate deservi 1.024 de calculatoare.

Fig. 7.2 - Un repetor multiport (hub) poate fi folosit pentru a extinde o retea locala Ethernet

Figura 7.2 ilustreaza faptul ca o solutie 10BaseT poate oferi avantajele unei topologii stea. Cablul UTP suporta transmisii de date la 10 Mbps. Pot fi aduse modificari in retea, prin mutarea unui cablu de conexiune in panoul de conexiuni. Spre deosebire de o retea Ethernet traditionala, cu topologie de magistrala, in acest caz, celelalte dispozitive din retea nu vor fi afectate de modificarile efectuate in panoul de conexiuni.

Panourile de conexiuni trebuie testate pentru viteze mai mari de 10 Mbps. Concentratoarele din ultimele generatii pot oferi conexiuni pentru segmente de cablu Ethernet gros sau subtire. In acest caz, este usor de convertit cablul Ethernet gros in cablu 10BaseT, prin atasarea unui mini-transceiver 10BaseT la portul AUI al oricarei placi de retea.

Rezumat 10BaseT

Categorie Precizari

Cablu UTP, de categoric 3, 4 sau 5

Conectori Conectori RJ-45 la capetele cablului

Transceiver Fiecare calculator necesita unul; unele placi au

transceiver incorporat

Distanta de la transceiver la Maximum 100 de metri

concentrator

Coloanele principale (magistrale) Cablu coaxial sau de fibra optica pentru pentru

concentrator conectarea la o retea LAN mai mare

Numarul total de calculatoare din 1024, prin specificatie reteaua LAN, fara

componente de conectivitate

10Base2

Aceasta topologie este denumita de specificatia IEEE 802.3 10Base2, deoarece transmite la viteze de 10 Mbps in banda de baza si poate transporta un semnal pe o distanta care masoara aproximativ de doua ori 100 de metri - distanta reala este de 185 de metri.

Acest tip de retea foloseste cablu coaxial subtire, la care lungimea maxima a segmentului este de 185 de metri. Exista si o specificatie pentru lungimea minima, si anume 0,5 metri (20 inci). Pe un segment de 185 de metri se pot conecta maximum 30 de calculatoare.

Cablarea cu cablu coaxial subtire presupune folosirea urmatoarelor componente:

Conectori BNC bara

Conectori BNC T

Terminatoare BNC

In general, retelele cu cablu coaxial subtire folosesc o topologie locala de magistrala. Standardele IEEE pentru coaxial subtire nu permit folosirea unui cablu de transceiver intre conectorul T si calculator; conectorul T se fixeaza direct in placa de retea.

Un conector BNC bara poate fi folosit pentru a conecta intre ele mai multe segmente de cablu subtire, marind astfel lungimea cablului. De exemplu, daca aveti nevpie de un cablu de 10 metri si dispuneti de un cablu subtire de 8 metri si altul de 2 metri, puteti folosi un conector bara pentru a imbina cele doua segmente. Totusi, este indicat sa se utilizeze un numar minim de conectori bara, deoarece fiecare conexiune existenta pe cablu reduce calitatea semnalului.O retea cu cablu coaxial subtire este o modalitate eficienta de a crea o mica retea departamentala sau un grup de lucru. Cablul folosit pentru acest tip de retea este:

Relativ ieftin

Usor de instalat

Usor de configurat

Conform specificatiei IEEE 802.3, o retea cu cablu coaxial subtire poate avea maximum 30 de noduri (calculatoare sau repetoare).

Regula 5-4-3

O retea cu cablu coaxial subtire poate contine Cel mult cinci segmente de cablu conectate prin patru repetoare, insa doar trei segmente pot avea atasate statii de lucru. Prin urmare, doua segmente nu prezinta conexiuni directe cu statiile, fiind numite din acest motiv iegaturi intre repetoare. Aceasta topologie este cunoscuta sub denumirea de regula 5-4-3.

In figura 7.3 se poate vedea cinci segmente si patru repetoare; segmentele 1, 2 si 5 sunt populate (au calculatoare atasate direct). Segmentele 3 si 4 nu fac decat sa mareasca lungimea totala a retelei si sa permita calculatoarelor de pe segmentele 1 si 5 sa fie conectate in aceeasi retea.

Deoarece limitele impuse de Ethernet se dovedesc prea restrictive pentru o organizatie mai mare, pot fi folosite repetoare pentru a imbina segmentele Ethernet si a extinde reteaua pe o distanta totala de 925 metri.

Rezumat 10Base2

Categorie Precizari

Lungimea maxima a segmentului  185 metri (607 picioare)
Conectarea la placa de retea Conector BNC T

Segmente si repetoare Cinci segmente pot fi imbinate folosind

patru repetoare

Numarul de calculatoare pe Prin specificatie, 30 de calculatoare pe un

fiecare segment segment

Segmente populate cu calculatoare Trei dintre cele cinci segmente pot fi populate
Lungimea maxima a retelei 925 metri (3.035 picioare)

Fig. 7.3 Regula 5-4-3 pentru cablu coaxial subtire

10Base5

Specificatia IEEE pentru aceasta topologie prevede 10 Mbps, banda de baza si segmente de 500 de metri. Ea este numita si Ethernet standard.

Se foloseste cablu coaxial gros, care prezinta de obicei o topologie de magistrala si poate avea pana la 100 de noduri (statii de lucru, repetoare si asa mai departe) pe fiecare segment. Coloana de baza (magistrala), sau segmentul, reprezinta cablul principal la care se leaga cablurile de transceiver conectate la statii si repetoare. Un segment de cablu gros poate avea maximum 500 de metri, ceea ce conduce la o dimensiune totala a retelei de 2.500 de metri (8.200 picioare). Distantele si tolerantele prevazute pentru cablul coaxial gros sunt mai mari decat cele pentru cablul subtire.

Cablarea cu coaxial gros presupune folosirea urmatoarelor componente:

Transceivere

Transceiverele (TRANSmitter + reCEIVER - emitator + receptor) asigura comunicatia intre calculator si cablul de retea principal si sunt localizate pe mufele vampir atasate cablului.

Cabluri de transceiver

Cablul de transceiver (de legatura) conecteaza transceiverul la placa de retea.

Conector AUI sau DIX

Acesta este conectorul de pe cablul de transceiver.

Conectori de serie N, cum ar fi conectori bara de serie N, sau terminatoare de
serie N.

Componentele de cablare cu coaxial gros functioneaza la fel cu cele pentru cablu coaxial subtire.

Regula 5-4-3 pentru cablu coaxial gros

O retea Ethernet bazata pe cablu gros poate avea maximum 5 segmente de magistrala (coloana principala), conectate prin intermediul unor repetoare (conform specificatiei 802.3), dintre care (xei segmente pot fi populate cu calculatoare. Lungimea cablurilor pentru transceivere nu intra in calculul distantei suportate de cablul coaxial gros; se foloseste doar distanta de la un capat la altul al segmentului propriu-zis.

Intre conexiuni, lungimea minima a cablului coaxial gros este de 2,5 metri (aproximativ 8 picioare); nu se ia in calcul lungimea cablurilor de transceiver. Reteaua cu cablu coaxial gros a fost proiectata pentru departamente mari sau pentru o intreaga cladire.

Fig.7.4 Regula 5-4-3 pentru cablu coaxial gros: 5 segmente de magistrala, 4 repetoare si 3 segmente populate

Rezumat 10Base5

Categorie  Precizari

Lungimea maxima a segmentului 500 metri

Transceivere Conectate pe segment (prin mufe vampir)

Distanta maxima intre calculator si 50 de metri (164 picioare)

transceiver

Distanta minima intre transceivere 2,5 metri (8 picioare)

Segmente si repetoare 5 segmente pot fi imbinate prin 4 repetoare

Segmente populate cu calculatoare Trei dintre cele cinci segmente pot fi

populate

Lungimea totala a segmentelor  2.500 de metri (8.200 picioare) imbinate

Numarul maxim de calculatoare pe  100, prin specificatie un segment

Combinarea cablului coaxial gros cu cablu coaxial subtire

In retelele mari, se foloseste de obicei o combinatie de cablu coaxial gros si cablu coaxial subtire. Cablul gros este indicat pentru coloana sau segmentul principal, iar cablul subtire pentru ramificatiile segmentului principal. Prin urmare, cablul gros este cel care acopera distantele mari. Asa cum probabil va amintiti, cablul gros are un miez de cupru de diametru mai mare, motiv pentru care poate transporta semnalele mai departe decat cablul subtire. Transceiverul se ataseaza la cablul gros, iar conectorul AUI al cablului de transceiver se introduce in repetor. Segmentele ramificate de cablu subtire se leaga tot la repetor, conectand calculatoarele in retea.

10BaseFL

Comitetul IEEE a publicat o specificatie pentru arhitectura Ethernet cu cablu de fibra optica. 10BaseFL (10 Mbps, banda de baza, fibra optica) este de fapt o retea Ethernet care foloseste in principal fibra optica pentru a conecta calculatoarele si repetoarele.

Topologia 10BaseFL este folosita acolo unde cablul trebuie sa acopere distante mari intre repetoare, de exemplu distanta dintre doua cladiri. Lungimea maxima pentru un segment 10BaseFL este de 2000 de metri.

Arhitectura Fast Ethernet (100BaseX Ethernet)

Acest standard, numit uneori si Fast Ethernet, reprezinta o dezvoltare a standardului Ethernet existent. Foloseste cablu UTP de categoria 5 si metoda de acces CSMA/CD, intr-o topologie de magistrala-stea, ca si 10 BaseT, unde toate cablurile sunt atasate la un concentrator.

Specificatii de mediu

100BaseX include trei specificatii referitoare la mediu:

100BaseT4 (UTP de categoria 3, 4 sau 5, cu 4 perechi de fire)

100BaseTX (UTP sau STP de categoria 5, cu 2 perechi de fire)

100BaseFX (cablu cu doua fibre optice)

Aceste medii sunt descrise mai amanuntit in tabelul urmator.

Arhitectura Token-Ring

Consideratii de performanta

Ethernet poate folosi mai multe protocoale de comunicatie, cum ar fi TCP/IP, care functioneaza foarte bine intr-un mediu UNIX®. De aceea, Ethernet este favoritul comunitatilor academice si stiintifice.O retea Token Ring reprezinta o implementare a standardului IEEE 802.5. Mai mult decat dispunerea fizica a cablului in teren, ceea ce distinge retelele Token Ring de alte tipuri de retele, este metoda de acces prin transferul jetonului.

Arhitectura

Arhitectura unei retele Token Ring obisnuite are la baza un inel fizic. Totusi, in implementarea IBM, de tip inel cablat in stea, calculatoarele din retea sunt conectate la un concentrator (hub) central. Inelul logic este reprezentat de calea jetonului printre calculatoare. Inelul fizic este realizat de fapt in interiorul concentratorului. Utilizatorii fac parte dintr-un inel, insa ei sunt conectati la acesta printr-un concentrator.

Fig. 7.6. Inel logic, in care schema de cablare este dispusa de fapt in concentrator

Notiuni de baza despre reteaua Token Ring

retea Token Ring are urmatoarele caracteristici:

Topologie inel cablat in stea

Metoda de acces prin transferal jetonului

Cablu torsadat ecranat (STP) sau neecranat (UTP) - Tipurile IBM 1, 2 si 3

Viteze de transfer de 4 si 16 Mbps

Transmisie in banda de baza

Specificatiile 802.5

Formatele cadrului

Formatul de baza al unui cadru de date Token Ring este prezentat in figura 7.7 si descris in tabelul care urmeaza.

Fig. 7.7 Un cadru de date Token Ring

Campul cadrului Descriere

Delimitare de inceput Indica inceputul cadrului.

Controlul accesului Indica prioritatea cadrului si daca este vorba de

un jeton sau de un cadru de date.

Controlul cadrului Contine fie informatii de control al accesului la

mediu (MAC) pentru toate calculatoarele, fie o informatie de ,,end station' - static finala -pentru un singur calculator.

Adresa destinatiei Indica adresa calculatorului care va receptiona

cadrul.

Adresa sursei Indica adresa calculatorului care a transrnis

cadrul.

Informatii sau date Datele care sunt transmise.

Secventa de verificare a Informatii CRC pentru verificarea erorilor.

cadrului

Delimitator de sfarsit Indica sfarsitul cadrului.

Starea cadrului Indica daca respectivul cadru a fost recunoscut,

copiat, sau daca adresa de destinatie a fost disponibila

Modul de functionare al retelei Token Ring

Atunci cand primul calculator din reteaua Token Ring este pornit, se genereaza un jeton. Acesta circula de-a lungul inelului, parcurgand fiecare calculator, pana cand unul dintre ele semnalizeaza intentia de a transmite date si de a prelua controlul asupra jetonului. Jetonul consta dintr-o secventa predefinita de biti (un sir de date), care permite unui calculator sa transfere date prin cablu. Calculatorul nu poate transmite pana cand nu intra in posesia jetonului; cand jetonul este folosit de un calculator, nici un alt calculator nu poate transmite date.

Dupa ce calculatorul ,,captureaza' jetonul, el transmite in retea un cadru de date (cum este cel prezentat in figura 7.8). Cadrul parcurge inelul pana cand ajunge la calculatorul a carui adresa corespunde cu adresa de destinatie a cadrului. Calculatorul destinatar copiaza cadrul in memoria sa tampon (buffer) de receptie si il marcheaza in campul continand starea cadrului pentru a indica fapml ca informatia a fost receptionata.

Fig. 7.8 Jetonul parcurge inelul logic in sensul acelor de ceas

Cadrul isi continua apoi drumul pe inel pana cand ajunge inapoi la calculatorul emitator, unde transmisia este validata. Calculatorul sursa elimina (sterge) apoi cadrul din inel si elibereaza un nou jelon, pe care il transmite pe inel.

La un moment dat, un singur jeton poate fi activ pe retea, iar acesta nu poate parcurge inelul decat intr-un singur sens.

Metoda de acces prin transferal jetonului este determinista, ceea ce inseamna ca un calculator nu poate forta drumul prin retea, ca intr-un mediu CSMA/CD. Daca jetonul este disponibil, calculatoral il poate folosi pentru a transmite date. Fiecare calculator se comporta asemeni unui repetor unidirectional, regenerand jetonul si transmitandul mai departe.

Monitorizarea sistemului

Sistemul Token Ring incredinteaza sarcina de monitorizare a activitatii din retea primului calculator care este pornit. Monitorizarea presupune verificarea corectitudinii cadrelor transmise si receptionate. In acest scop, sunt verificate cadrele care au parcurs inelul de mai multe ori, si se controleaza daca pe inel se afla un singur jeton la un moment dat.

Recunoasterea unui calculator

Atunci cand un nou calculator este pornit in retea, sistemul Token Ring il initializeaza pentru a deveni parte din inel. Aceasta presupune:

Verificarea adreselor duplicate

Anuntarea celorlalte calculatoare din retea despre existenta sa.