Biologie | Chimie | Didactica | Fizica | Geografie | Informatica | |
Istorie | Literatura | Matematica | Psihologie |
Retele locale de calculatoare. Substratul MAC. Substratul LLC. Generalitati
SCOP
Scopul acestui laborator este prezentarea generala a domeniului retelelor de calculatoare, a metodelor de comutatie in retele, a topologiilor utilizate si a diverselor tehnici de control a accesului la mediul de transmisie.
CONSIDERATII TEORETICE
Retelele de calculatoare reprezinta o modalitate de a partaja resurse si servicii (servicii de transfer de fisiere, de imprimare, etc.) pe baza unui mediu de transmisie comun si a unor protocoale comune.
Mediul de transmisie este de tipul "cu difuzare" in care la un moment dat, o singura statie transmite si celelalte asculta (receptioneaza date). Fata de legaturile punct-la-punct pe care le-am analizat intr-o sectiune anterioara, apare in plus problema partjarii mediului de transmisie intre statiile care doresc sa transmita. Aceasta partajare se realizeaza printr-una din tehnicile de control a accesului la mediu. O parte din aceste tehnici sunt standardizate de catre IEEE in seria IEEE 802. In aceasta sectiune vom studia cateva din aceste tehnici de control a accesului la mediu mai des utilizate. De obicei, acestea sunt standardizate impreuna cu specificatiile pentru stratul fizic, de aceea vom aborda si concepte legate de stratul fizic.
IEEE a impartit functile stratului Legaturi de Date in doua substraturi:
Protocoale de control a accesului la mediu ( la canalul de comunicatii)
Tehnicile de control a accesului la mediul de transmisie se aplica pentru canale multipunct (pentru interconectarea mai multor terminale intr-o retea de calculatoare). Sunt implementate de exemplu in standarde IEEE corespunzatoare substratului MAC. Aceste tehnici descriu regulile care stabilesc accesul, transmisia datelor si eliberarea canalului de catre fiecare statie. Banda teoretica a canalului scade cu o cantitate introdusa de tehnica de control a accesului la mediu.
Exista doua tipuri mai importante de control a accesului la mediu:
a) tehnici de tip concurential (contention)
b) tehnici cu trecerea unui jeton (token passing)
Tehnicile de tip concurential :
statiile pot transmite atunci cand au date de transmis de la stratul superior. Pot apare coliziuni (suprapunerea in mediul de transmisie a semnalelor provenind de la mai multe calculatoare care transmit simultan). Tratarea coliziunilor se poate face in doua moduri:
Exemple: ALOHA, Ethernet (pentru CSMA/CD), Local Talk ( Apple), IEEE 802.11 (pentru CSMA/CA)
Avantaje : -simpla
-redundanta introdusa este mica
- la numar mic de statii, rata de transfer este ridicata
-la trafic ridicat, timpul de utilizare al canalului este ridicat
Dezavantaje: -timpul de acces nu este garantat ( nu se poate sti cu exactitate cand anume o statie primeste accesul la canal, ci doar probabilistic)
-nu se pot stabili prioritati
- cu cresterea numarului de statii, creste numarul de coliziuni deci si numarul de retransmisii, iar eficienta utilizarii canalului scade
Tehnicile cu trecerea unui jeton (metoda dreptului circulant de control):
Un cadru special numit jeton (token) , care contine un mesaj de autorizare a transmisiei pentru urmatoarea statie care are dreptul sa transmita, circula in ordine de la o statie la alta.
Exista doua metode diferite de implementare in functie de modul de generare al jetonului.
Prima metoda este cu control distribuit al accesului la mediul de transmisie si presupune ca jetonul este generat pe rand de fiecare statie dintr-un inel logic. Transferul jetonului distribuie controlul accesului la canalul de transmisie intre terminale. Aceasta metoda este utilizata de exemplu de standardul IEEE 802.5.
A doua metoda este cea cu control centralizat in care exista un dispozitiv controller (master) care care genereaza jetonul si interogheaza pe rand statiile de lucru. Controllerul baleiaza pe rand fiecare dispozitiv secundar intr-o anumita ordine pentru a determina daca aceste dispozitive secundare au date de transmis. Aceasta metoda este utilizata de standardul IEEE 802.12 (100 VG-Any LAN).
Exemplu: IEEE 802. 5 (Token Ring), FDDI, IEEE 802.4 (Token Bus), IEEE 802.12
Avantaje:
-deterministic (exista un interval maxim de timp dupa care o statie primeste din nou dreptul de a transmite)
-flexibilitate, e posibila implementarea a diverse optiuni
Dezavantaje:
-complicat de implementat
-exista o redundanta
-uneori se iroseste banda de
transfer pentru transmisia mesajelor si a confirmarilor
Standardul IEEE 802.2 LLC
Standardul IEEE 802.2 implementeaza functiile substratului LLC (Logical Link Control), substratul superior din stratul Legaturi de Date.
Principalele caracteristici ale substratului LLC sunt urmatoarele:
Controlul erorilor se refera la alte erori decat cele detectate de catre substratul MAC. Astfel, se asigura integritatea transmisiei de la un capat la altul intre cele doua entitati.
Un prim exemplu este cel in care se constata lipsa securitatii necesare pentru stabilirea unei anumite conectari. In acest caz, substratul LLC informeaza stratul retea ca legatura nu a putut fi stabilita.
Alt exemplu este cazul in care LLC reseteaza o conexiune iar cadrele care se tramsniteau in acel moment vor fi receptionate eronat. Substratul LLC semnalizeaza pierderea unor date iar la reluarea comunicarii, straturile superioare vor solicita retransmisia cadrelor respective.
Controlul de flux se realizeaza prin doua tipuri de tehnici:
Serviciile asigurate de catre LLC stratului Retea prin intermediul punctelor de acces la servicii SAP (Service Access Points) sunt de trei tipuri:
Tipul 1. Serviciu neorientat pe conectare, fara confirmare (Unacknowledged connectionless service)
Tipul 2. Serviciu orientat pe conectare (Connection mode service)
Tipul 3. Serviciu neorientat pe conectare, cu confirmarea receptiei (Acknowledged connectionless service)
Pentru fiecare serviciu se definesc mai multe primitive, fiecare cu parametrii corespunzatori.
Serviciul de tip 1, neorientat pe conectare si fara confirmare nu ofera controlul fluxului de transmisie si nici controlul erorilor. De asemenea nu se garanteaza livrarea cadrelor in ordinea in care au fost transmise. Se definesc doar doua primitive, si anume:
DL-UNITDATA.request(source_address, destination_address, data, priority)
DL-UNITDATA.indication(source_address, destination_address, data, priority)
Primitiva request este utilizata de catre implementarea stratului retea pentru a transmite un bloc de date substratului LLC in vederea transmisiei.
Primitiva indication este utilizata de catre implementarea substratului LLC pentru a transmite un bloc de date catre utilizatorul de servicii, adica implementarea stratului Retea.
Parametrii acestor primitive sunt urmatorii:
Acest tip de serviciu are urmatoarele avantaje:
Dezavantajele acestui tip de serviciu sunt urmatoarele:
Acest dezavantaj este
partial eliminat deoarece implementarile uzuale pentru stratul transport
utilizeaza controlul de flux respectiv control de erori intre cele doua
capetele terminale ale legaturii.
Serviciul de tip 2, orientat pe conectare precizeaza mecanismele pentru stabilirea, mentinerea si eliberarea unei conectari intre doua entitati. Sunt definite cinci tipuri de primitive:
Metoda de control de flux utilizata este de tip sliding-window.
Serviciul de tip 3, neorientat pe conectare cu confirmare furnizeaza un mecanism prin care utilizatorul poate transmite un bloc de date si poate primi confirmarea receptiei datelor, fara a fi necesara stabilirea unei conectari. Sunt definite doua tipuri de servicii:
Metoda de control de flux utilizata este de tip stop-and-wait.
Protocolul LLC a fost elaborat pe baza protocolului HDLC, avand functii asemanatoare, cu urmatoarele diferente:
Pentru LLC se definesc trei tipuri de operare si patru clase. Tipurile definite sunt urmatoarele:
Tipul 1: suporta servicii neorientate pe conectare, fara confirmare
Tipul 2: suporta servicii orientate pe conectare
Tipul 3: suporta servicii neorientate pe conectare, cu confirmarea receptiei.
Clasele definite pentru LLC sunt prezentate in tabelul urmator:
Tipuri de operatii suportate |
Clase LLC |
||||
I |
II |
III |
IV |
||
Tipul 1 |
X |
X |
X |
X |
|
Tipul 2 |
X |
X |
|||
Tipul 3 |
X |
X |
Tabelul 1. Clasele definite pentru LLC
O statie poate suporta mai multe clase simultan. Fiecare clasa suporta cel putin Tipul 1 de servicii.
Structura PDU pentru LLC este prezentata in continuare:
1 octet |
1 octet |
1 sau 2 octeti |
N octeti |
DSAP |
SSAP |
Control |
Informatie |
Figura 1. Structura cadrului LLC
Antetul LLC este inserat imediat dupa antetul MAC. Dupa campul informatie urmeaza de obicei FCS corespunzator substratului MAC.
Semnificatia campurilor este urmatoarea:
DSAP (Destination Service Access Point) precizeaza punctul de acces la servicii pe masina destinatie a cadrului. Semnificatia bitilor este urmatoarea:
I/G |
DSAP pe 7 biti |
I/G: 0 -DSAP individual; 1-DSAP de grup
SSAP (Source Service Access Point) precizeaza punctul de acces la servicii pe masina care a generat cadrul. Semnificatia bitilor este urmatoarea:
C/R |
SSAP pe 7 biti |
C/R: 0- comanda; 1- raspuns
Valorile pe 7 biti pentru DSAP si SSAP sunt atribuite de catre IEEE.
Control: este pe 1 sau 2 octeti in functie de tipul serviciului cerut sau furnizat
Informatie: poate sa nu fie prezent: contine
informatii pentru straturile superioare.
Standardul Ethernet/IEEE 802.3
Aparut in urma cu 30 ani ca rezultat al tezei de doctorat al lui Robert Metcalfe in SUA, standardul Ethernet este castigatorul clar al competitiei standardelor pentru retele locale de calculatoare.
Pe langa faptul ca acest standard este implementat in continuare cu succes si astazi, au aparut extinderi care functioneaza la debite superioare, dupa cum se va vedea in laboratoarele urmatoare. Explicatia succesului este simplitatea si deci pretul de cost scazut.
Pe baza standardului Ethernet implementat pentru prima data de un consortiu compus din firmele Digital, Intel si Xerox (DIX), ISO a adoptat standardul IEEE 802.3 ce precizeaza caracteristicile pentru stratul fizic si pentru substratul MAC din stratul legaturi de date.
Acest standard reprezinta o implementare a unei tehnici de control a accesului la mediu de tip CSMA/CD cu persistenta 1.
Principiul de functionare este urmatorul: fiecare statie asculta mediul de transmisie CS (Carrier Sense); orice statie poate incepe transmisia MA (Multiple Access) doar daca mediul de transmisie este liber. Datorita timpilor de propagare, doua sau mai multe statii pot incepe transmisia simultan sau cu o diferenta data de timpul de propagare al semnalului prin mediul dintre statii.
In acest caz, apar coliziuni care sunt detectate de catre una din statiile care transmit in acel moment. Prescurtarea CD (Collision Detection) se refera la detectia coliziunilor. Statia care detecteaza prima coliziunile, emite in linie un semnal de bruiere la receptionarea caruia toate statiile care transmiteau se opresc si reincearca transmisia dupa un interval de timp aleator. Daca si in acest interval apar coliziuni, emisia se intrerupe din nou iar timpul de asteptare se dubleaza. Intervalul de timp de asteptare fiind aleator, probabilitatea repetarii coliziunilor este scazuta.
Numarul maxim de incercari de transmisie a cadrelor este de 16, iar daca acest prag este depasit se transmite catre straturile superioare un mesaj de eroare.
Se observa ca nu exista garantarea timpului dupa care fiecare statie are acces la mediul de transmisie, deci comunicatia este de tipul " best-effort delivery".
Acest mecanism a fost suficient pentru transmisiile de date intre calculatoare utilizate in primii ani. Ethernet a fost elaborat ca standard de firma, de catre un consortiu alcatuit din trei mari producatori de echipamente de comunicatie: DEC, Intel si Xerox.
Plecand de la aceste specificatii, IEEE a elaborat
standardul din seria 802.3 cu mai multe optiuni pentru stratul fizic.
Optiune |
cablu utilizat |
Dimensiunea maxima a unui segment |
Nr. statii/segment |
1 Base5 |
UTP |
500 m |
1024 |
10Base5 |
Thick coax |
500 m |
100 |
10Base2 |
Thin coax |
185 m |
30 |
10BaseT |
UTP, FTP |
100 m |
1024 |
10BaseF |
Fibra optica |
2000 m |
1024 |
10Broad36 |
Cablu TV |
1,8 km |
- |
Tabelul 2. Optiunile pentru standardul IEEE 802.3, stratul fizic
Cu o singura exceptie (1Base5), toate optiunile pentru
stratul fizic lucreaza la debitul binar de 10 Mbps. Tipul codificarii folosite este
Pana in urma cu 5 ani, cele mai intalnite arhitecturi erau cele de tip magistrala (bus), in particular varianta 10Base2. In ultima perioada, arhitecturile de tip stea (star) au cea mai mare raspandire (vezi si capitolul de Cablare Structurata).
Varianta 10BaseF este utilizata pentru legaturi punct la punct pentru interconectarea echipamentelor pe distante mai mari. Se utilizeaza conectori ST (baioneta) si se lucreaza la lungimi de unda de 850 nm.
Varianta preferata este 10BaseT, avand ca mediu de transmisie cablul torsadat ecranat (STP) sau neecranat (UTP). Odata cu noile cablari structurate ale cladirilor, aceasta arhitectura este cea recomandata de standardele EIA/TIA 568.
Echipamentul central poarta numele de repetor si are rolul de a repeta semnalul electric primit pe unul din porturi de la una din statii catre toate celelalte statii conecate la celelalte porturi. Fabricantii il denumesc hub. In esenta un hub este un repetor multiport si este utilizat in topologia stea.
O repetare selectiva doar catre statia destinatara a cadrului (pe baza adresei destinatie inclusa in cadru) este realizata de catre comutatoarele Ethernet, numite switching-hub, care vor fi prezentate intr-un capitol urmator.
Structura cadrului Ethernet/IEEE 802.3
Informatia de la stratul legaturi de date este grupata in cadre de lungime variabila, intre 64 si 1514 octeti.
Lungimea minima este data din considerente de proiectare, in functie de viteza minima de propagare prin mediul de transmisie (cablul coaxial), de lungimea maxima a retelei (suma tuturor segmentelor: 2 km), astfel incat semnalul de coliziune sa poata ajunge la fiecare statie care emite, inainte de terminarea cadrului curent.
Cazul cel mai dezavantajos este cel in care doua statii situate la extremitatile retelei incep sa transmita simultan cate un cadru de lungime minima.
Se obtine astfel pentru debitul binar de 10 Mbps, dimensiunea minima de 64 octeti pentru un cadru (durata unui slot este de 51 m s).
La debite de 100 Mbps respectiv 1 Gbps, cerintele impuse lungimii retelei
sunt mult mai drastice, dupa cum se va vedea intr-un
paragraf urmator.
7 octeti |
1 octet |
6 octeti |
6 octeti |
2 octeti |
0-1500 octeti |
0-46 octeti |
4 octeti |
Pre-ambul |
SFD |
Adresa destinatie |
Adresa sursa |
Lungime (IEEE)/ Tip (Ethernet) |
Date |
Pad |
FCS |
Figura 2. Structura cadrului Ethernet/IEEE 802.3
Semnificatia campurilor unui cadru Ethernet/IEEE 802.3 este urmatoarea:
Preambul: 7 octeti cu valoarea 10101010b care au rol de a sincroniza ceasul de la receptie cu ceasul de la transmisie.
SFD (Start of Frame Delimiter): delimitator de inceput de cadru, are valoarea 10101011b
Nota: preambulul si delimitatorul de inceput de cadru nu fac parte propriu-zis din structura cadrului si sunt utilizate pentru sincronizare. Standardul Fast-Ethernet utilizeaza pentru delimitarea inceputului si sfarsitului de cadru caractere speciale, dupa cum se va arata intr-un laborator urmator.
Adresa destinatie: 6 octeti care identifica statia destinatie a cadrului respectiv. Pe baza acestui camp, o statie poate decide daca respectivul cadru ii este destinat sau nu si deci daca va receptiona sau nu in continuare cadrul. Exista trei tipuri de adresa destinatie:
48 biti
I/G U/L BBB . . . . . . . . . . . . . BB
Figura 3. Structura unei adrese Ethernet/IEEE 802.3
Bitul I/G: G=1: adresa de grup; I=0: adresa individuala
Bitul U/L: U=1: adresa globala; L=0: adresa locala
Bitii BBB . BB: biti de adresa
Adresa sursa: 6 octeti care identifica in mod unic statia care a emis cadrul respectiv.
Lungime (pentru standardul IEEE 802.3) precizeaza lungimea campului de date.
Daca este vorba de un cadru Ethernet, campul respectiv poarta numele Tip si precizeaza tipul protocolului de pe stratul superior caruia ii este destinat cadrul respectiv. Are valori intre 0x08 00 si 0xff ff. Deoarece aceste valori sunt mai mari decat valorile pe care le poate lua campul lungime, se poate face astfel diferentierea intre cele doua tipuri de cadre.
Date contine datele pentru stratul superior. Poate fi de orice lungime intre 0 si 1500 octeti.
PAD este adaugat de catre placa de retea care transmite cadrul, in cazul in care campul de date are o lungime mai mica de 46 de octeti, completand acest camp la 46 de octeti, astfel incat sa se obtina dimensiunea minima a cadrului care se transmite in retea.
FCS (Frame Check Sequence) este secventa de verificare cadru pe baza de cod ciclic. In cazul in care secventa calculata la receptie nu coincide cu cea receptionata, cadrul respectiv este rejectat, fara a se cere retransmisia. Aceasta solutie a fost adoptata datorita ratei reduse a erorilor in linia de transmisie.
Polinomul generator pe baza caruia se calculeaza FCS este urmatorul:
P(x)= x32+x26+ x23+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 (1)
Se defineste parametrul IFG(InterFrame Gap) ca intervalul minim intre doua cadre ce trebuie respectat de fiecare statie. Acest interval este alocat pentru refacerea la receptie.
Pentru IEEE 802.3 IFG este de 12 octeti, cu o durata este de 9 ms.
Succesiunea cadrelor este data in Figura 1
(inainte de fiecare cadru avem Preambul si SFD):
9,6 m s |
9,6 m s | ||||||
Pre-ambul + SFD (8 B) |
Cadru (64 . 1518 B) |
IFG (12 B) |
Pre-ambul + SFD (8 B) |
Cadru (64 . 1518 B) |
IFG (12 B) |
Pre-ambul + SFD (8 B) |
Cadru (64 . 1518 B) |
Figura
Succesiunea cadrelor IEEE 802.3
Calculati numarul maxim de cadre pe secunda pentru standardul Ethernet. Unde este utila aceasta valoare?
In acest caz, numarul maxim de cadre pe secunda se obtine considerand o dimensiune minima a cadrelor, de 64 octeti, la un debit de 10 Mbps:
cadre/s (2)
unde: reprezinta numarul maxim de cadre pe secunda, este debitul binar exprimat in biti pe secunda, adica 10 Mbps, este lungimea minima intre doua cadre, exprimata in biti, care este suma dintre numarul de biti pentru preambul si SFD, numarul de biti pentru cadrul de lungime minima si numarul de biti pentru IFG.
Aceasta valoare pentru numarul maxim de cadre pe secunda pentru Ethernet/IEEE 802.3 este utila pentru proiectarea unor echipamente analizoare de cadre, respectiv pentru echipamente avansate de comutatie (comutatoare Ethernet- Ethernet Switches).
Analiza performantelor tehnicii CSMA/CD
Analiza performantelor acestui tip de arhitectura de retea locala de calculatoare se face analizand algoritmul de control al accesului la mediu care este de tip Binary Exponential Backoff, cu valoarea cuantei de timp de 51,2 ms. In cazul aparitiei unei coliziuni, timpul de asteptare inainte de a se incerca retransmisia se poate dubla.
De exemplu, la coliziunea i , se asteapta un interval aleator de sloturi de 51,2 ms intre 0 si 2i-1.
Fie un numar de k statii gata sa transmita la un moment dat si p probabilitatea ca o statie sa incerce transmisia intr-un slot de 51,2 m s. Atunci probabilitatea ca o statie sa reuseasca transmisia este:
(3)
Valoarea maxima a acestei probabilitati este:
(4)
Probabilitatea ca transmisia sa reuseasca dupa exact j sloturi este:
(5)
In acest caz, numarul mediu de sloturi pentru o coliziune este:
(6)
unde 1 slot= 2t , tfiind timpul de propagare intre cele doua extremitati ale retelei de tip magistrala.
Deci intervalul w de disputare a canalului inainte de transmisia efectiva a cadrului este:
(7)
In concluzie, eficienta E a canalului este :
(8)
unde: P reprezinta intervalul de timp necesar pentru a transmite un cadru. Deoarece
(9)
unde: L reprezinta lungimea traseului de cablu, c reprezinta viteza de propagare prin cablul coaxial, iar
(10)
unde F este lungimea cadrului iar B este banda de transmisie, eficienta E a canalului pentru arhitectura Ethernet/IEEE 802.3 este:
(11)
Reprezentati grafic variatia performantei algoritmului CSMA/CD in functie de numarul de statii si de lungimea cadrului .
Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate