Arhitecturi de retea

Arhitecturi de retea

Lenuta Alboaie

[email protected]

Cuprins

• Retele de calculatoare – organizare

• Modele de arhitecturi de retea (OSI, TCP/IP)

• Modelul TCP/IP

• ISO/OSI versus TCP/IP

• Organizarea retelelor de calculatoare – stiva de nivele – Functionalitate:

• Interfata: asigura comunicarea intre doua nivele consecutive

• Serviciu: furnizeaza functionalitatea unui nivel – Rezultat: reducerea complexitatii proiectarii

– Principiul de comunicare: ce transmite emitatorul la nivelul n este ceea ce se primeste la destinatar la nivelul n

Retele de calculatoare – organizare

• Protocol – regulile si conventiile prin care se realizeaza comunicarea

Exemplu: legatura - nivele, protocoale si interfete

Filosof roman

Traducator¹

Secretar(a)¹ Secretar(a)²

Traducator² Filosof chinez Interfata

Protocol

Figura: Arhitectura filosof – traducator - secretara Sistem postal

Interfata

Frumusetea este in ochii privitorului.

Beauty is in the eye of the beholder.

La beauté est dans l'œil de l'observateur.

Beauty is in the eye of the beholder.

Mesajul

Mesajul pentru Traducator2

Mesajul pentru Secretar(a)2

Comunicare virtuala Comunicare fizica Legenda:

Aspecte privind proiectarea nivelurilor

• Specificarea serviciului este realizata printr-un set de primitive (operatii) puse la dispozitia celui ce

foloseste serviciul

• Serviciu != Protocol

Nivel^a1

Nivel^a2 Nivel^b2

Nivel^b1

Protocol

Serviciu oferit de Nivel²

Protocol

Aspecte privind proiectarea nivelurilor

• Tipuri de servicii

– Orientat-conexiune (eng. connection-oriented)

• Comunicarea necesita stabilirea unei conexiuni

• Similar serviciului telefonic

– Fara conexiune (eng. connectionless)

• Comunicarea nu necesita stabilirea unei conexiuni

• Similar serviciului postal

Aspecte privind proiectarea nivelurilor

• Arhitectura de retea: multimea de nivele si de protocoale

– Specificatia unei arhitecturi trebuie sa ofere suficiente informatii pentru ca programele sau

echipamentele destinate unui nivel sa indeplineasca protocoalele corespunzatoare

• Stiva de protocoale: lista de protocoale (de pe toate

nivelele) utilizate de catre un anumit sistem

Aspecte privind proiectarea nivelurilor

• Fiecare nivel trebuie sa realizeze indentificarea

emitatorilor & receptorilor printr-un mecanism de adresare

• Identificarea regulilor de transfer a datelor – comunicare simplex

• Exemplu: TV

– comunicare half-duplex

• Exemplu: "walkie-talkie"

– comunicare full-duplex

• Exemplu: telefon

Aspecte privind proiectarea nivelurilor

• In general canalele de comunicatie nu pastreaza ordinea

mesajelor trimise => necesitatea unui protocol ce furnizeaza un mecanism de reconstituire a ordinii corecte a mesajelor

• Exista situatii in care receptorul nu poate face managementul mesajelor de lungime variabila => trebuie sa existe un mecanism de impartire/asamblare a mesajelor

• Costuri mari in alocarea de conexiuni separate? => multiplexarea – utilizarea aceleiasi conexiuni pentru conversatii independente

• In general exista mai multe cai intre sursa si destinatie =>

mecanism de rutare

• Circuitele fizice de comunicatii nu sunt perfecte => necesitatea

Modele de referinta pentru arhitecturi de retea

• ISO/OSI (International Standard Organization/ Open System Interconnection)

• TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)

[conform Computer Networks, 2010 – Andrew S. Tanenbaum, et.al.]

Arhitectura de retea - Echipamente

Figura: Dispozitive si nivelele corespunzatoare

Modelul OSI- motivatie

• Necesitatea unui nivel de abstractizare diferit => crearea unui nou nivel

• Obs. Numarul de niveluri trebuie sa fie optim a.i. acelasi nivel sa aiba functii diferite, dar arhitectura sa fie functionala

• Un nivel are un rol bine definit; functia nivelului trebuie aleasa acordindu-se atentie definirii de protocoale standardizate pe plan international

• Minimizarea fluxului de informatii intre nivele este realizata printr-o buna delimitare a nivelelor

=> nivelele pot fi modificate si implementate in mod independent

• Fiecare nivel ofera un serviciu nivelului superior (folosind servicii de pe nivelurile anterioare)

• Nivelurile “peer” al sistemelor diferite comunica via un protocol

Modelul OSI

[conform Computer Networks, 2010 –

Modelul OSI – structura unui mesaj

[Retele de calculatoare – curs 2007-2008, Sabin Buraga]

Modelul OSI – structura

• Nivelul Fizic

• Nivelul Legaturii de Date

• Nivelul Retea

• Nivelul Transport

• Nivelul Sesiune

• Nivelul Prezentare

• Nivelul Aplicatie

Modelul OSI

• Nivelul Fizic: mediu de transmisie a datelor

– Rol: asigura faptul ca secventa de biti transmisa de la emitator ajunge la receptor

– Medii de transmisie:

• Cu fir (cablu torsadat, cablu coaxial, fibre optice)

• Fara fir (spectru electromagnetic - radio,

microunde, infrarosii,…) –> curs viitor

Modelul OSI

• Nivelul Fizic:

Transmiterea datelor:

• Analogic (valori continue) – Exemplu: vechi sisteme

telefonice

• Digital (valori discrete)

– Exemplu: computerele, … Conversia datelor din format analogic în

format digital si invers

– Modem: date în format digital sunt transmise în format analogic – Codec (coder/decoder): date în

format analogic sunt transmise în format digital

Figura. Semnal Analogic

Figura. Semnal Digital

Modelul OSI

• Nivelul Fizic - aspecte:

– Largimea de banda (Bandwidth): numarul de biti care pot fi transmisi pe retea intr-o anumita perioada de timp (viteza transfer de date)

•Se exprima de obicei in bits/secunda – Latenta: reprezinta intervalul de timp

maxim necesar unui bit de a se propaga de la o extremitate la alta a retelei si se exprima in unitati de timp

•RTT(Round Trip Time) - Timpul necesar unui bit să traverseze de la un capăt la altul, şi înapoi mediul

Parametrii fundamentali de asigurare a performantei retelei

Modelul OSI

• Nivelul Fizic – Aspecte

Modificari suferite de semnale in timpul propagarii in mediile de transmisie:

• Atenuarea: pierderea de energie în timpul propagării semnalului printr-un mediu de transmisie

• Zgomotul: modificarea semnalului cauzata de factori externi (e.g. fulgere, alte echipamente electronice etc)

– Diafonia = zgomot provenit din semnal transmis de mediul de transmisie vecin

• Distorsiune (engl. Distortion)- este o modificare determinista a semnalului receptionat fata de cel emis

Modelul OSI

• Nivelul Fizic – Concluzii

Ofera servicii de transport, asupra carora putem indentifica o serie de probleme posibile

– Datele pot fi alterate/distruse din cauza zgomotului

– Daca destinatia nu poate prelucra datele in ritmul celor emise, o parte se vor pierde

– Daca un acelasi mediu de transmisie este utilizat de mai multe emitatoare, exista riscul ca pachetele trimise sa se altereze reciproc

– Este mai putin costisitoare construirea de legaturi logice care sa partajeze aceeeasi legatura fizica, decat crearea de

legaturi fizice independente

Un nou nivel?

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

• Ofera

• mecanisme de detectie si corectare a erorilor

• mecansime de reglementare a fluxului de date

• mecanism de control al accesului la mediu

• servicii nivelului retea, unitatea de date fiind

cadrul (engl. frame)

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

– Datele se incapsuleaza in cadre (frame-uri) – Analogie: frame=plic digital

Figura: Relatia dintre pachete si cadre

[conform Computer Networks, 2010 – Andrew S.

Tanenbaum, et.al.]

Informatii de control pentru

Niv. Leg. De Date

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

– Ofera servicii nivelului retea

• Servicii neconfirmate fara conexiune

» Emitatorul transmite cadre independente catre destinatar fara sa astepte confirmare

» Un cadru pierdut nu este recuperat

• Servicii confirmate fara conexiune

» Se realizeaza confirmarea cadrelor trimise

» Transmiterea cadrelor nu se face in ordine

• Servicii confirmate orientate-conexiune

» Inainte de transmiterea datelor se stabileste o conexiune

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

– Divizat in doua subniveluri:

• Controlul logic al legaturii – LLC (Logical Link Control) – Rol: Ofera nivelelor superioare o vedere

independenta de mediul de comunicare

• Controlul accesului la mediu – MAC (Medium Access Control)

– Rol: Folosit pentru a determina cine urmeaza sa

transmita intr-un canal multi-acces (engl. multiaccess channel)

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

• Controlul accesului la mediu – MAC (Medium Access Control)

– Contextul problemei: acelasi mediu fizic e folosit de mai multi emitatori (identificati unic printr-o adresa fizica sau adresa MAC) care activeaza simultan, de exemplu:

– transmisie semi-duplex, intre entitati care utilizeaza acelasi mediu fizic pentru ambele sensuri

– comunicatia prin unde radio, cand exista statii care emit pe aceeasi lungime de unda (Wireless Ethernet – IEEE 802.11, Bluetooth, etc).

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

• Controlul accesului la mediu – MAC (Media Access Control) – Strategii:

– Alocare statica

» FDM (Frequency Division Multiplexing)

» TDM (Time Division Multiplexing)

– Acceptarea posibilitatii coliziunilor si retransmiterea pachetelor afectate de coliziuni – alocare dinamica

Coliziune=transmiterea simultana a datelor

Mecanism general: o statie ce are date de transmis, le transmite imediat; in caz de coliziune va face

retransmitere pana la transmitere cu succes

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

Controlul accesului la mediu – protocoale (alocare dinamica):

– ALOHA

• Pure ALOHA : “transmite oricind doresti”

• Slotted ALOHA

– CSMA (Carrier Sense - Multiple Access): protocol cu detectia transmisiei (“canal liber inainte de a

transmite?”)

• 1-persistent CSMA

• …

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date:

– Controlul accesului la mediu – protocoale:

• CSMA (Carrier Sense - Multiple Access)

– CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)

» “canalul e liber in timp ce transmiti?”

» baza pentru Ethernet LAN (IEEE 802.3)

• MACA (Multiple Access with Collision Avoidance)

– Baza pentru retelele wireless (IEEE 802.11)

• MACAW

– Imbunatateste MACA

Standard IEEE

Descriere

802 Grupul de standarde pentru reţele LAN şi MAN

802.2 LLC (Logical Link Control)

802.3 Ethernet (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect (CSMA/CD))

802.3u Fast Ethernet 802.3z Gigabit Ethernet 802.11

a/b/g/n/ac

Reţele fără fir – wireless (WLAN)

802.15 Wireless PAN ( 802.15.1 Bluetooth, ...) 802.16 Reţele wireless WAN

Modelul OSI

• Nivelul legatura de date - echipamente

• punti (engl. bridges)

– Retransmit frame-urile dintre doua retele (LAN)

– Nu modifica continutul frame-urilor si pot schimba doar antetele acestora

– Imbunatatesc siguranta transmiterii si performanta – Pot oferi controlul fluxului si congestiei datelor

– Retransmiterea datelor se realizeaza via rute statice sau folosind un arbore de acoperire

STP (IEEE 802.1D) – Spanning Tree Protocol – Alte echipamente? (Curs 1)

Modelul OSI

• Nivelul retea:

– Preia pachetele de la sursa si le transfera catre destinatie – Ofera servicii nivelului transport

• ce fel de servicii?

– Comunitatea Internet propune:

» servicii neorientate conexiune: SEND PACKET, RECEIVE PACKET

» Pachetele (numite datagrame) sunt

independente si sunt dirijate in mod individual

» Serviciile de tip datagrama sunt similare sistemului de posta (obsinuita)

Modelul OSI

• Nivelul retea:

– Preia pachetele de la sursa si le transfera catre destinatie – Ofera servicii nivelului transport

• ce fel de servicii?

– Companiile telefonice propun:

» Servicii orientate conexiune, sigure

» Inainte de transfer se initiaza o negociere pentru stabilirea unei conexiuni (VC-virtual circuit)

» Serviciile de acest tip sunt similare sistemului telefonic

Modelul OSI

• Nivelul retea:

– Protocoale folosite

• X.25 (orientat conexiune)

• IP

– Probleme

• Conversii de protocol si adrese

• Controlul erorilor (flux, congestie)

• Divizarea si recompunerea pachetelor

• Securitatea – criptare, firewall

Modelul OSI

• Nivelul transport: ofera siguranta si cost-eficient in transportul datelor de la masina sursa la masina

destinatie, independent de reteaua fizica sau retelele in prezent in uz

– Servicii: ofera servicii orientate-conexiune si fara conexiune

Diferente intre nivelul transport si nivelul retea?

Modelul OSI

• Nivelul transport:

– Primitive:

• LISTEN – se blocheaza pina cind un proces incearca sa se conecteze

• CONNECT – incearca sa stabileasca o conexiune

• SEND – trimite date

• RECEIVE – se blocheaza pina se primesc datele

• DISCONNECT – eliberarea conexiunii

– Performanta – calitatea serviciilor (QoS – Quality of Service):

stabilirea/eliberarea conexiunii, rata de eroare, protectia,

prioritatea, rezilienta (probabilitatea ca o conexiune sa se inchida

Modelul OSI

• Nivelul sesiune: se refera la probleme de stabilire de sesiuni (servicii de control al dialogului, de

sincronizare etc.)

• Nivelul prezentare: se ocupa de prezentarea datelor, codificindu-le intr-un format standard

– Pentru a se asigura comunicarea intre calculatoare cu reprezentari diferite, nivelul prezentare asigura conversia reprezentarilor interne a structurilor de date in reprezentare standardizata din retea si

invers

Modelul OSI

• Nivelul aplicatie:

gestioneaza servicii ale retelei:

terminal virtual abstract, transfer de fisiere, posta electronica,

executia la distanta

a aplicatiilor,…

Modelul TCP/IP

• Termeni:

– sistem terminal (eng. end-system) – gazda (eng.

host)

– retea (eng. network) - ofera suportul pentru transferul de date intre sisteme terminale – internet - colectie de retele (interconectate) – subretea (eng. subnetwork) - componenta din

internet

– sistem intermediar (eng. intermediate system) -

conecteaza doua subretele

Modelele de referinta: OSI si TCP/IP

Figura: Imaginea generala a modelelor OSI si TCP/IP TCP/IP Model TCP/IP - Protocols OSI Model

Application FTP, Telnet, HTTP,… Application Presentation

Transport TCP, UDP, … Session

Transport

Internetwork IP, … Network

Host to Network Ethernet, … Datalink Physical

Modelul TCP/IP

[Retele de calculatoare – curs 2007-2008, Sabin Buraga]

Modelul TCP/IP

Figura. Modelul TCP/IP - protocoale

• Ofera posibilitatea de a interconecta mai multe tipuri de retele

• Are ca axa nivelurile retea si transport

• Implementat cu succes peste

Ethernet (IEEE 802.3) – suportat de multe implementari ale nivelului fizic (cablu coaxial, twisted pair, fibra optica)

Modelul TCP/IP

• Nivelul “fizic”

– Asigura conectarea host-ului la retea

Ethernet

• Ofera acces multiplu (mediu partajat de transmisie) intr-o retea cu difuzare

• Detectia coliziunilor: CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

• Fiecare interfata Ethernet are o adresa unica de 48 biti: adresa hardware (MAC) – e.g. C0:B3:44:17:21:17

• Adresele sunt asignate producatorilor de placi de retea (NIC – Network Interface Card) de o autoritate centrala

Figura. Modelul TCP/IP

802.4 802.5

802.3

Modelul TCP/IP

Ethernet

• Fiecare interfata(placa) de retea are o adresa MAC unica (unele sisteme de operare permit sa fie modificata prin soft)

• Primii 24 de biti identifica producatorul

Modelul TCP/IP

Ethernet

• Forma unui cadru (frame) de date:

Preambul Adresa MAC destinatie

Adresa MAC a sursei

Date (payload) Camp de completare

Suma de control

Delimitator de inceput de

cadru

Lungimea campului de

date

7 bytes 1 6 6 2 0-1500 0-46 4

• Broadcast: adresa are toti bitii setati pe 1

• Fiecare interfata de retea inspecteaza pentru orice cadru adresa de destinatie

• Daca adresa destinatie nu se potriveste cu adresa hardware sau cea de broadcast, atunci cadrul este ignorat

minim 64 bytes

Modelul TCP/IP

Ethernet – standarde (exemple):

• 10 BASE5: 10 Mbps folosind cablu coaxial gros (Thick Ethernet)- 1980

• 1BASE5: 1 Mbps folosind 2 cabluri UTP (Unshilded Twisted Pair)

• 10BASE-T: 10Mbps folosind 2 perechi UTP – 1990

• 10BASE-FL: 10 Mbps fibra optica cu legatura point-to-point

• 10BASE-FB: 10Mbps backbone cu fibra optica (intre repetoare)

• 100BASE – FX: 100MBps CSMA/CD cu 2 fibre optice, full duplex

• … etc

Modelul TCP/IP

Ethernet versus Fast Ethernet

[conform Retele de calculatoare – curs 2007-2008, Sabin Buraga]

Modelul TCP/IP

• Gigabit Ethernet

• Implementari atit pentru cabluri de cupru (802.3ab), cat si pentru fibra optica (802.3z)

• Diferenta fata de alte

implementari Ethernet este la nivel fizic

• 10 Gigabit Ethernet

• Implementari doar pentru fibra optica (802.3ae)

• Opereaza la distante de 40km (util pentru MAN si WAN)

• Formatul cadrelor este similar celui de la celelalte

Modelul TCP/IP

[https://www.computernetworkingnotes.com/networking- tutorials/ethernet-standards-and-protocols-explained.html]

https://www.ieee802.org/3/db/P802d3db_Updated_Objectives_Approved_November_2020.pdf

Modelul TCP/IP

• Nivelul retea

– Permite gazdelor sa emita pachete in orice retea; pachetele circula independent pina la destinatie

– Aspecte principale:

• Dirijarea pachetelor

• Evitarea congestiei

Modelul TCP/IP

• Nivelul retea

– Proiectarea nivelului a urmarit atingerea urmatoarelor obiective:

• Serviciile oferite sunt independente de tehnologia utilizata (e.g. routere)

• Asigura nivelului transport servicii, care ii permit acestuia sa functioneze in mod independent de numarul, tipul si topologia retelei

• Furnizeaza un mecanism de adresare unic in LAN-uri si WAN-uri

Modelul TCP/IP

• Nivelul retea – IPv4

– IPv6

– Dirijare (routing):

• OSPF(Open Shortest Path First) – RFC 1131

• BGP(Border Gateway Protocol) – RFC 1105 – Multicast:

• IGMP (Internet Group Management Protocol) – RFC 1112, 1054

– Control:

• ICMP (Internet Control Messages Protocol) - RFC 792,777

• SNMP (Simple Network Management Protocol) – RFC 1157

• ICMPv6 (vezi curs viitor)

Modelul TCP/IP

• Nivelul transport

– Asigura realizarea comunicarii intre gazda sursa si gazda destinatie

– Protocoale

• TCP (Transmission Control Protocol) - RFC 793,761

• UDP (User Datagram Protocol) – RFC 768

• Alte protocoale: SCTP (Stream Control Transmission Protocol) – RFC 4960, 3286 (2960, 3309);DCCP

(Datagram Congestion Control Protocol) – RFC 4340, 4336;

Modelul TCP/IP

• Nivelul aplicatie:

– Contine protocoale de nivel inalt

– SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – RFC 5321 (821) – POP3(Post Office Protocol) – RFC 1081

– TELNET – RFC 854,764

– FTP (File Transfer Protocol) – RFC 454 – NFS (Network File System) – RFC 1095

– DNS (Domain Name System) – RFC 1034,1035 – HTTP (HyperText Transfer Protocol) – RFC 2616

– RTP (Real-time Transport Protocol) – RFC 3550 (1889) – SIP (Session Initiation Protocol) – RFC 3261

Modelul TCP/IP

• Organizatii implicate in standardizare:

• ISOC – Internet Society

• IAB – Internet Architecture Board

• IETF – Internet Engineering Task Force

• IRTF – Internet Research Task Force

• InterNIC – Internet Network Information Center

• IANA – Internet Assigned Number Authority

• Documentele RFC (Request For Comments)

• Editate de Network Working Group (IETF)

• RFC 1800 (Internet Official Protocol Standards)

• Mai multe detalii -> www.ietf.org

OSI versus TCP/IP

• Asemanari:

• Ambele se bazeaza pe o stiva de protocoale

• Functionalitatile straturilor este

oarecum asemanatoare

• Ambele au nivelul aplicatie ca nivel superior

• Se bazeaza (direct sau indirect) pe nivelul transport

[conform Computer Networks, 2010 –

OSI versus TCP/IP

• Deosebiri:

• ISO/OSI este indicat ca model teoretic; TCP/IP este eficient in implementare

• OSI face explicita distinctia intre serviciu, interfata si protocol; TCP/IP nu

• ISO/OSI pune la dispozitie protocoale care asigura o comunicare fiabila (detectarea si tratare de erori la fiecare nivel);

TCP/IP face verificarea comunicarii la nivelul transport

• OSI suporta ambele tipuri de comunicatii la nivel retea (fara conexiune si orientate conexiune); TCP/IP suporta la nivelul retea comunicatii fara conexiune si la nivelul

transport ambele moduri [conform Computer

Networks, 2010 – Andrew S.

Tanenbaum, et.al.]

Rezumat

• Retele de calculatoare – organizare

• Modele de arhitecturi de retea (OSI, TCP/IP)

• Modelul TCP/IP

• ISO/OSI versus TCP/IP

Intrebari?