3. SISTEME PENTRU TRANSMISIUNI DE DATE 3.1 Tehnologii de ...stud.usv.ro/~nitco/anII/RLC/RC_c3.pdf · Sisteme pentru transmisiuni de date 79 3. SISTEME PENTRU TRANSMISIUNI DE DATE

Capitolul 3. Sisteme pentru transmisiuni de date

79

3. SISTEME PENTRU TRANSMISIUNI DE DATE 3.1 Tehnologii de comunicaŃie directă între echipamentele de date 3.1.1 ComunicaŃia serială

InterfaŃa serială a unui echipament este folosită în general pentru transmiterea informaŃiei între acesta (PC) şi periferice (mouse, tastatură, modem), dar şi pentru transferul de date între echipamente. Debitul binar maxim conform standardizării iniŃiale este de 19 kbps, interfeŃele moderne funcŃionând până la 115200 b/s. Transmisia este bidirecŃională, în format serial asincron. SecvenŃa de date este descrisă în figura 3.1 şi conŃine un bit de start urmat de 8 biŃi de date (1000 0010) şi în final biŃii de stop (1, 1,5 sau 2). Semnalul de sincronizare se extrage din secvenŃa de date. Nivelele de tensiune transmise pe linia de comunicaŃie sunt între +3 şi +25V pentru „0” şi între –3 şi –25V pentru „1”. Uzual se operează cu ±12V sau ±5V, pragurile de decizie fiind ±3V (figura 3.1).

t

“0”

U [V]

“1”

0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1

+3 … +25V

-3 … -25V

idle

mark

space

Figura 3.1 Diagrama de semnal pentru interfaŃa serială

LSB MSB

Bit START 2 biŃi STOP

TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALACULATOARE

80

Transmisia datelor se face pe două căi conductoare distincte (Tx, Rx) cu cale

de întoarcere (masă) comună. DistanŃa maximă este de 15m, dar în anumite condiŃii se poate ajunge la 100m. Elementul central al comunicaŃiei seriale este un circuit integrat numit UART – Universal Asynchronous Receiver / Transmiter. FuncŃia de bază a acestuia este conversia paralel-serie şi serie-paralel a datelor.

Există mai multe standarde care definesc interfeŃe şi semnalizări seriale: RS-232, RS-422, RS-485. RS-232

RS-232 este standardul cel mai important în comunicaŃiile seriale şi a fost promulgat de AsociaŃia Industriilor Electronice (EIA). Cea mai cunoscută versiune de RS-232 este versiunea C, numită oficial RS-232C. Spre sfârşitul anilor ’80, a apărut versiunea D, care a fost urmată la începutul anilor ’90 de versiunea E. Toate cele trei variante ale RS-232 au un nucleu comun de funcŃii uzuale şi de caracteristici operaŃionale.

InterfaŃa serială prezintă limitări, cea mai importantă fiind limitarea distanŃei maxime ce poate fi acoperită. La comutarea unui semnal dintr-o stare în alta, specificaŃiile standardului limitează timpul din creştere/cădere la 5% din durata unui bit. Această cerinŃă determină valoarea maximă a capacităŃii permisă în cablu la valoarea de 2500pF. O a două limitare este viteza maximă de transmisie prevăzută de standardul iniŃial de 19.200bps, viteză care poate fi însă depăşită pe distanŃe scurte dacă interfaŃa permite acest lucru: conectarea unui modem serial de 33,6 kbps la un calculator, de exemplu, dacă distanŃa nu depăşeşte 4m. RS-422

RS-422 este un standard de comunicaŃie serială folosit de sistemele Macintosh (platforme Motorola). Acest standard este o extensie a standardului RS-232 pentru a permite o rată înaltă de transfer pe distanŃe mari. În acest scop RS-422 utilizează o transmisie echilibrată (diferenŃială) pe două căi independente. Ecartul între nivelele de tensiune asociate stărilor de linie „mark” şi „space” este mult mai redus (+/- 0,2V faŃă de +/- 3V la RS-232), ceea ce permite o excursie mult mai rapidă a semnalului, obŃinându-se viteze de 100 kbps pe distanŃe de 500m sau 10 Mbps pe distanŃe scurte. Datorită transmisiei diferenŃiale şi impedanŃei mari a intrării de recepŃie, un transmiŃător poate deservi până la zece receptoare. RS-485

InterfaŃa RS-485 este folosită pentru legături multipunct, mai multe dispozitive putând fi conectate la un singur cablu de semnal, similar cu reŃelele Ethernet pe cablu coaxial. ComunicaŃia se realizează pe o pereche torsadată (caz în care interfeŃele de acces la linie trebuie să aibă ieşiri cu trei stări, three-state) sau două perechi torsadate, câte una pentru fiecare sens. DistanŃa maximă permisă este de 1200m la viteze tipice de 2,5 Mbps.

Majoritatea comunicaŃiilor RS-485 folosesc o arhitectură stăpân/sclav (master/slave) în care dispozitivele sclav (slave) răspund numai când sunt interogate.


81

3.1.2 ComunicaŃia paralelă

Portul de comunicaŃie paralelă al unui echipament era iniŃial destinat exclusiv comunicaŃiei cu imprimanta. În prezent interfaŃa paralelă poate controla o gamă largă de periferice.

Există mai multe moduri de operare pe portul paralel. Primul s-a numit SPP (Standard Printer Port sau Parallel Port) şi a fost introdus odată cu conectorul Centronics pentru comunicaŃia cu imprimanta. Acesta era un port unidirecŃional. Ulterior a apărut modul BPP (BidirecŃional Parallel Port). InterfeŃele paralele moderne implementează ECP (Enhanced Capability Port) şi EPP (Enhanced Parallel Port), reunite în specificaŃiile IEEE1284.

Schema de principiu a modului de operare SPP (figura 3.2) se bazează pe 8 linii de comunicaŃie de la PC către periferic, împreună cu semnalul Strobe de validare a datelor transmise. Perifericul confirmă recepŃia corectă folosind un semnal de confirmare ACK (acknowledge). În afara acestor semnale există şi altele, specifice lucrului cu imprimante: busy, paper_out, select, paper_feed etc., semnale care pot fi utilizate şi pentru alte tipuri de comunicaŃii particulare. Semnalele de control pot fi active pe palier (handshake simplu) sau pe front (handshake dublu).

Un inconvenient major al comunicaŃiei paralele este lungimea mică a cablului

de legătură datorită utilizării nivelurilor TTL. DistanŃa maximă nu poate depăşi 5 m. Standardul IEEE1284 defineşte posibilitatea de transmisie la distanŃe de 10 m folosind conductoare torsadate cu cale de masă şi adaptare de impedanŃă la capetele liniei.

Viteza maximă de transfer pentru modurile SPP şi BPP este de 150 kBps iar pentru modurile ECP şi EPP poate atinge 2 MBps, folosind tehnici de buffer-are.

Protocolul ECP a fost propus de Hewlett Packard şi Microsoft. El introduce conceptele de secvenŃe de date şi secvenŃe de comenzi, defineşte implementarea regiştrilor de comunicaŃie, programarea interfeŃelor I/O, codarea şi compresia datelor (rata 64:1, atunci când se transmit caractere repetate). Algoritmul de compresie este RLE (Run Lenght Encoding) care codifică şirul de caractere transmis prin indicarea numărului de repetiŃii. El este eficient în special la transmisia fişierelor grafice (tiff, bmp, pcx).

Modul EPP introduce suplimentar şi facilitatea de control software a sensului de transmisie. La ECP schimbarea sensului se face prin funcŃii de negociere.

Sistem

Dispozitiv Periferic

8

ACK

STROBE

Figura 3.2 Principiul comunicatiei paralele standard, SPP

interfaŃă


82

3.1.3 Magistrala serială universală, USB

InterfaŃa USB (Universal Serial Bus) implementează o modalitate performantă de comunicaŃie serială de viteză. Prima versiune, USB 1.0 prevedea două rate de transfer, una de 1,5 Mbps - Low Speed, necesară pentru perifericele lente (mouse, tastatură) şi alta de 12 Mbps - Full Speed, pentru comunicaŃia cu imprimante, scanere, camere digitale. Ulterior USB 2.0 introduce, pe lângă cele două viteze de mai sus şi rata transfer de 480 Mbps - High Speed.

Transmisia este de tip serial pe două fire. Datele sunt codificate diferenŃial, în tensiune. La recepŃie decizia se ia în funcŃie de semnul diferenŃei de tensiune între cele două conductoare. Nivelurile de tensiune cu care se lucrează sunt între 2,8 V şi 0,3 V pentru modurile Low Speed şi Full Speed, respectiv între 400mV şi 0V pentru modul High Speed.

Cablul USB conŃine două conductoare pentru transmisia diferenŃială a

datelor, D+ şi D- şi două conductoare pentru alimentare, V+ şi GND. Acestea din urmă permit alimentarea unor periferice în limita a 0,5 A. ComunicaŃia prin interfaŃa USB este de tip master-slave cu o arhitectură de tip arbore pornind de la un master şi având în nodurile arborelui HUB-uri USB. Conectorul utilizat este USB tip A (de obicei la master) şi USB tip B (de obicei la slave). Pentru ca parametrii comunicaŃiei să rămână în limitele standardizate, lungimea maximă a unui cablu USB nu trebuie să depăşească de 5 m. Pentru a interconecta mai mulŃi clienŃi USB se folosesc HUB-uri USB. Un HUB USB este prevăzut cu o conexiune de tip B pentru a conecta un master şi un număr de conexiuni tip A pentru dispozitive slave. HUB-ul poate fi considerat şi distribuitor de semnal permiŃând creşterea numărului de periferice şi mărirea distanŃei. Numărul maxim de periferice ce pot fi conectate la un master este 127 iar numărul maxim de HUB-uri ce pot fi înlănŃuite este de 5, ceea ce înseamnă o lungime maximă de interconectare de 25 m. Perifericele se pot conecta la interfaŃa USB chiar şi în timpul funcŃionări, fiind imediat recunoscute de master. USB defineşte patru moduri de transfer a datelor:

• modul de control, în care master-ul transmite perifericului comenzi sau informaŃii despre starea acestuia;

• modul de întreruperi este specific perifericelor ce transmit puŃine date către master (mouse, tastatură), comunicaŃia este iniŃializată prin introducerea unei cereri de întrerupere;

• modul bulk este un mod specific perifericelor ce vehiculează un volum mare de date (imprimante, scanere, camere digitale, HDD-uri externe), comunicaŃia având loc în pachete de 64B care sunt verificate împotriva erorilor;

V+

GND

D+ D-

Conector tip A

2 1

3 4

Conector tip B

1 2 3 4

Figura 3.3 Conectica USB


83

• modul izocron este specific perifericelor ce transmit date în timp real şi pentru care nu pot fi aplicate tehnici de protecŃie împotriva erorilor (codări), cum ar fi microfonul şi boxele audio. La iniŃializarea unei comunicaŃii master-ul execută o operaŃie de enumerare a

perifericelor conectate la magistrala USB. În cadrul acestui proces fiecărui periferic i se atribuie o adresă de identificare pe 7 biŃi. În a două etapă a procesului de iniŃializare master-ul stabileşte rata de transfer şi modul de lucru cu fiecare dintre perifericele conectate. Pentru a comunica cu fiecare periferic, controlerul USB asigură o partajare a timpului de comunicaŃie împărŃindu-l în cadre de 1 ms în cazul Low Speed şi Full Speed, respectiv 25 µs în cazul High Speed. Într-un astfel de cadru de timp au loc numeroase tranzacŃii multiplexate în timp, având diverse viteze de transfer şi durate. În fiecare cadru prioritatea o au tranzacŃiile bazate pe modurile de transfer în întreruperi. Fiecare tranzacŃie se poate extinde pe mai multe cadre succesive.

Pentru a interconecta două staŃii, ambele fiind de tip master, este necesar un adaptor de comunicaŃie (bridge) şi un protocol adecvat, nativ în unele sisteme de operare, instalabil în altele ca protocol sau ca aplicaŃie dedicată. 3.1.4 Standardul Firewire

FireWire este unul dintre cele mai rapide standarde de comunicaŃie pentru periferice disponibile în prezent. El se pretează transmisiunilor de semnale audio şi video (camere digitale). FireWire este asociat cu standardul IEEE 1394 (apărut în 1995) fiind cunoscut şi sub denumirea de i.LINK. A fost creat iniŃial de Apple Computers şi încorporat în sistemele Macintosh. FireWire oferă o lărgime de bandă de 30 de ori mai mare decât USB, deci este mult mai rapid, atingând 800 Mbps. Sunt permise până la 63 de dispozitive FireWire pe aceeaşi interfaŃă, dar nu mai mult de 16 dispozitive pe o singură ramură.

Există mai multe variante FireWire. FireWire400 (IEEE 1394a, 2000) lucrează pe distanŃe de 4,5 m la o viteză de transmitere a datelor de 400 Mbps. FireWire800, (IEEE 1394b, 2002) operează pe mai multe tipuri de medii fizice de transmisie (tabelul 3.4). Pe cabluri cu fibră optică FireWire800 poate transmite datele la o distanŃă de 100m cu rata de transfer de 800Mbps. Sunt deja în studiu rate de 1,6 Gbps (FireWire S1600) şi 3,2 Gbps (FireWire S3200) care vor permite, de exemplu, transmisiuni digitale HDTV.

Tipuri de cabluri 100Mbps 200Mbps 400Mbps 800Mbps 1600Mbps 3200Mbps

Cablu torsadat izolat,

din cupru, 9 pini

4,5m 4,5m 4,5m 4,5m 4,5m 4,5m

CAT-5 Cablu torsadat neizolat,

din cupru

100m - - - - -

Fibră optică (polimeri)

100m 100m - - - -

Fibră optică (sticlă)

100m 100m 100m 100m 100m 100m

Tabelul 3.4 PerformanŃele FireWire800 (IEEE 1394b)


84

Deşi standardele FireWire400 si FireWire800 sunt compatibile, ele folosesc conectică diferită, pentru interconectări mixte fiind necesar un cablu adaptor bilingual (după numele dat de Apple acestei interfeŃe, S800 bilingual). În cazul FireWire800 nu se justifică expandarea comunicaŃiei folosind HUB-uri, ele fiind utile doar dacă conexiunea include şi FireWire400 pentru asigurarea compatibilităŃii fizice. Conectarea se poate face fără oprirea comunicaŃiei şi nu sunt necesare driver-e sau adaptări de impedanŃă. FireWire este o tehnologie peer-to-peer permiŃând ca mai multe conexiuni să împartă aceiaşi infrastructură fizică de comunicaŃie.

PerformanŃele superioare ale FireWire800 se datorează modului de arbitrare a traficului pe magistrala comună şi codului de linie folosit. Astfel, dacă în cazul FireWire400 arbitrarea se face după fiecare tranzacŃie de date, în cazul FireWire800 negocierea tranzacŃiei următoare se face în timpul sesiunii curente ceea ce face ca dispozitivele să poată începe transmisia imediat ce există condiŃii. În ceea ce priveşte codul de comunicaŃie folosit, FireWire400 foloseşte principiul data/strobe în timp ce FireWire800 foloseşte o codare avansată similară cu cea utilizată în reŃelele Gigabit Ethernet şi cele pe fibră optică, codare numită 8B10B. Ea introduce mai puŃine distorsiuni de semnal decât codarea originală FireWire D/S (data/strobe). Aceste îmbunătăŃiri sunt cunoscute sub denumirea de „modul beta”.

În ceea ce priveşte conectica, dispozitivele FireWire400 folosesc conectori cu

6 sau 4 pini iar dispozitivele FireWire800 folosesc conectori cu 9 pini. Magistralele FireWire conŃin şi două conductoare de alimentare ce permit o sarcină de până la 4,5W (pentru IEEE1394). Conectorii cu 4 pini nu au acces la liniile de alimentare.

Un avantaj important al tehnologiei FireWire se referă la posibilitatea

garantării livrării datelor în timp real ceea ce o face aplicabilă în cazul transmisiilor critice ca întârzieri, latenŃă sau rată a erorilor (aplicaŃii audio şi video).

ComunicaŃiile între nodurile FireWire se împart în transferuri izocrone şi asincrone. Transferurile izocrone permit transmiterea secvenŃelor de date la intervale precizate, fără retransmitere în cazul eronării. În transferurile asincrone intervalele dintre transmisiuni sunt variabile şi datele pot fi retrimise dacă apar erori. Cele două moduri de transfer coexistă, FireWire putând rezerva până la 80% din lărgimea de bandă pentru unul sau mai multe canale izocrone.

Echipamentele de calcul pot fi interconectate folosind magistrale FireWire

utilizând protocoale de reŃea în standard IP (Internet Protocol). Suportul pentru

1 Figura 3.5 Conectica IEEE 1394


85

interconectarea sistemelor folosind interfaŃa FireWire este inclus în majoritatea sistemelor de operare uzuale ca opŃiune de conectare ad-hoc, direct, fără rutare. ReŃeaua FireWire oferă unele avantaje faŃă de Ethernet, în primul rând viteza superioară faŃă de 100BASE-T sau 1000Base-T. Deoarece FireWire nu necesită o gazdă (host) centrală, două sau mai multe periferice FireWire pot comunica între ele direct, pe acelaşi nivel ierarhic. În acest sens a fost propusă (2006) versiunea IEEE 1394c, FireWire S800T care defineşte o interfaŃă compatibilă Gigabit Ethernet (conectică RJ45, cablu UTP). Deşi IEEE 1394c permite comunicaŃii IP, acestea nu mai sunt suportate, după 2004, de noile sistemele de operare Microsoft (Windows Vista, Windows Server 2008).

3.1.5 Tehnologia Bluetooth

Bluetooth reprezintă una dintre cele mai avansate tehnologii de comunicaŃie fără fir operând cu frecvenŃe din domeniul microundelor. Tehnologia Bluetooth permite o rată de transfer a datelor ridicată, cu un consum foarte scăzut de energie, acŃionând pe distanŃe mici, de până la 100 m şi numai în interiorul clădirilor ("indoor"). Standardul Bluetooth defineşte astfel o metodă de comunicaŃie fără fir între echipamente de date şi periferice (tastatura, mouse, imprimantă), dar nu numai (sunt deservite şi dispozitive mobile, dispozitive media etc.).

Denumirea standardului, Bluetooth („dinte albastru”), este un omagiu adus regelui Harald Bluetooth al Danemarcei, rege care a unificat Danemarca cu o parte a Norvegiei, introducând creştinismul în anii 900. Imaginea sa este legată de capacitatea de a aduce la un loc culturi diferite şi de a pune bazele comunicării între acestea.

Tehnologia mobilă Bluetooth este o tehnologie radio de bandă îngustă şi mică putere, care operează în banda de 2,4 GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical). Sunt definite 79 de canale de frecvenŃă (limitate la un număr mai mic în unele Ńări, 23 în FranŃa, de exemplu) în domeniul 2402 - 2480 MHz, cu ecart de 1 MHz. Viteza de transfer a datelor este cuprinsă între 432 kbps şi 720 kbps. Puterea maximă de emisie este de 100 mW existând un sistem încorporat de gestiune a puterii în funcŃie de situaŃia curentă: short / medium / long range. Aceste situaŃii corespund unor clase de putere şi distanŃe acoperite de 20dBm/100m (100mW), 4dBm/10m (2,5mW), 0dBm/10cm (1mW). Echipamentele Bluetooth folosesc modulaŃia GFSK (Gaussian

Tehnologie

200 400 600 800

USB 1.1 12 Mbps FireWire400

400 Mbps

USB 2.0 480 Mbps

FireWire800 800 Mbps

Figura 3.6 Comparatie între FireWire şi alte tehnologii de comunicaŃie

Debit binar [Mbps]

Gigabit Ethernet 1000 Mbps


86

Frequency Shift Keying, FSK format gaussian), un bit „1” fiind reprezentat printr-o deviaŃie pozitivă de frecvenŃă iar un bit „0” printr-o deviaŃie negativă de frecvenŃă, cu un indice de modulaŃie între 0,28 şi 0,35.

Dispozitivele Bluetooth folosesc aleator cele 79 de canale disponibile pe baza

unei tehnici de salt de la o frecvenŃă purtătoare la alta, tehnică numită „salt de frecvenŃă cu spectru împrăştiat” (Spread Spectrum Frequency Hopping). Un transmiŃător schimbă frecvenŃa de 1600 de ori într-o secundă ceea ce face ca o aceeaşi frecvenŃă de comunicaŃie să poată fi folosită succesiv de mai multe dispozitive. O eventuală interferenŃă pe una din frecvenŃe va afecta astfel numai o secvenŃă limitată a fluxului de date corespunzător duratei transmisiei pe canalul afectat (figura 3.7). Algoritmul de schimbare a frecvenŃei este transmis de master către unităŃile slave.

ReŃelele Bluetooth pot interconecta până la 256 de dispozitive în minireŃele

wireless numite piconets sau PAN (Personal Area Network). Un dispozitiv master şi şapte dispozitive slave pot fi active simultan, celelalte rămânând în aşteptare. Un master gestionează o reŃea (piconet), dar în acelaşi timp un slave poate fi master

M S

M/S

M Piconet 1

Piconet 2

Piconet 3

Figura 3.8 Interconectarea piconet

S

S

S

1 6 4 2 5 3

Zgomot

SecvenŃe de salt

Figura 3.7 Algoritm de salt al frecvenŃei purtătoare

Canale radio

FrecvenŃe

SecvenŃă de salt

Ecart


87

într-o altă reŃea (figura 3.8). Astfel un dispozitiv poate fi în acelaşi timp master şi slave iar interconectarea reŃelelor se face prin partajarea unui slave. ComunicaŃia este de tip ad-hoc şi nu bazată pe server. Dacă două dispozitive slave vor să comunice, ele nu o vor face prin intermediul master-ului, ci vor forma o nouă reŃea piconet, fără să părăsească reŃeaua în care se află. Orice dispozitiv poate funcŃiona ca master sau ca slave. Master-ul este cel care furnizează sincronizările necesare transmisiei şi secvenŃele de salt pentru frecvenŃele de comunicaŃie. Deoarece numai 8 dispozitive pot fi active simultan, adresarea la nivel fizic (MAC) se face pe 3 biŃi.

StaŃiile Bluetooth care nu sunt într-o reŃea „ascultă” periodic (la fiecare 1,28

secunde) mesajele transmise pe 32 din frecvenŃele de salt. Orice staŃie poate iniŃia crearea unei reŃele PAN prin transmiterea unui mesaj „page”, devenind astfel master. Dacă adresa destinaŃiei nu este cunoscută, mesajul „page” este precedat de un mesaj „inquiry” (folosit pentru a solicita identificarea celorlalte dispozitive cu adresă necunoscută). Dispozitivele care nu sunt active la un moment dat sunt „parcate” pe un canal de comunicaŃie („beacon channel”) pentru a păstra sincronizarea (starea „parked”). Ele nu au adresă MAC şi trec într-un regim de consum redus. Dispozitivele active pot fi trecute în regim de aşteptare (mod „hold” sau „sniff”), păstrând adresa MAC. În starea „hold” ele pot interconecta picoreŃele sau pot comunica cu dispozitive de consum redus, având posibilitatea de a relua imediat comunicaŃia cu master-ul. În starea „sniff” dispozitivele ascultă reŃeaua, dar la o rată scăzută, ceea ce permite funcŃionarea în regim de consum redus. În figura 3.9 sunt evidenŃiate stările unui dispozitiv Bluetooth şi evoluŃia lor.

Standardul Bluetooth (IEEE 802.15) reglementează nivelurile 1 şi 2 ale

modelului ISO/OSI, respectiv nivelul fizic şi nivelul legăturii de date. În figura 3.10 este prezentată descrierea generică a unui controler Bluetooth.

Sniff (adresă necunoscută)

Page (adresă cunoscută)

Transmisie RecepŃie Date

Conectat

Standby

Park Hold Sniff

Neconectat

În conectare

Activ

Consum redus (Low Power)

Figura 3.9 Stările tipice ale unui dispozitiv Bluetooth

Eliberează MAC

Păstrează MAC


88

FuncŃionarea Bluetooth se bazează pe trei protocoale fundamentale:

• L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) care adaptează protocoalele serviciilor de bază la canalul de comunicaŃie de bază prin operaŃiuni de multiplexare, segmentare şi reasamblare;

• SDP (Service Discovery Protocol) folosit pentru identificarea informaŃiilor asociate dispozitivelor şi serviciilor;

• RFCOMM (Radio Frequency Communication) este un protocol de transport serial a datelor.

La nivel fizic sunt definite două tipuri de legături:

• SCO (Synchronous Connection-Oriented) care asigură legătura punct-la-punct între master şi slave. Masterul menŃine o legătură activă trimiŃând comenzi specifice în slot-urile de timp rezervate. Nu sunt permise retransmisii.

• ACL (Asynchronous Connection-Less) furnizează conexiuni bazate pe comutaŃia pachetelor între master şi toate dispozitivele slave, fiind permise şi retransmisii.

Pentru fiecare dintre aceste legături sunt definite 12 tipuri de pachete de date

şi 4 tipuri (comune celor două legături) de pachete de control. În mod obişnuit un canal de comunicaŃie este definit printr-o succesiune de

frecvenŃe de salt care este specifică fiecărei picoreŃele. În cadrul fiecărui canal transmisia se face pe intervale (cadre) de timp de lungime determinată (625 µs). Master-ul transmite folosind cadrele pare şi aşteaptă răspunsuri de la slave-uri pe cadrele impare. Unele cadre sunt rezervate (dedicate) pentru informaŃii de control. O succesiune de cadre, multiplexate în timp, formează un canal logic. Pot fi identificate 5 canale logice de comunicaŃie:

• Link Control (controlul fluxului de date) • Link Manager (comunicaŃia master-slave) • User Asynchronous Data (date utilizator asincrone, L2CAP) • Isochronous Data (date utilizator izocrone, L2CAP) • User Synchronous Data (date utilizator sincrone, SCO).

Structura de principiu a unui controler Bluetooth este prezentată în figura 3.10.

Sunt evidenŃiate nivelurile la care este gestionată conexiunea (corespunzător primelor două nivele ISO/OSI): nivelul radio, care controlează interfaŃa de radiofrecvenŃă, nivelul benzii de bază care se ocupă gestiunea fluxului de biŃi şi nivelul de gestiune a legăturii de date.

FuncŃionând în banda de 2,4 GHz, acest standard este obligat să rezolve

problema interferenŃei cu semnalele utilizate de alte echipamente ce operează în spectrul ISM: telefoane wireless, sisteme de acces, comunicaŃii WiFi. Pentru a reduce interferenŃele, standardul prevede un reglaj adaptiv al puterii de emisie în funcŃie de distanŃa care trebuie acoperită. Acest reglaj se bazează pe evaluarea integrităŃii datelor transmise.


89

Primele versiuni Bluetooth au fost 1.0 şi 1.0B. Acestea nu cuprindeau

specificaŃii complete ceea ce făcea dificilă interoperabilitatea dispozitivelor. Versiunea 1.1 rezolvă o parte din aceste probleme, adaugă suport pentru canale necriptate şi introduce un indicator pentru controlul puterii semnalului recepŃionat (RSSI – Received Signal Strength Indicator). Un pas semnificativ înainte l-a constituit versiunea 1.2 (2003, 1 Mbps). Aceasta păstrează compatibilitatea cu standardele anterioare (1.1) şi introduce elemente noi cum ar fi: tehnica AFH (Adaptive Frequency Hopping Spread Spectrum) care reduce efectul interferenŃelor radio, suport optimizat HCI (Host Controller Interface) pentru interfaŃare UART (pe 3 fire) şi acces la informaŃiile de temporizare, calitate îmbunătăŃită pentru transmisiunile

Servicii de control ale dispozitivului

Date Control

Manager resurse în banda de bază

Controler legătură

RF

Manager legătură

Baseband Layer

Radio Layer

Figura 3.10 Structura unui controler Bluetooth

Managerul dispozitivului

Link Manager Layer

HCI

Controler Bluetooth

Manager resurse L2CAP

Manager canal

Date Control

Trafic sincron (unframed) Trafic asincron şi izocron (framed)

L2CAP

LMP

LC

Radio

HCI – Host Controller Interface LMP – Link Manager Protocol LC – Link Control

InterfeŃe


90

vocale (prin eSCO, extended Synchronous Connections). Versiunea cea mai recenta, 2.0 (2004) introduce vitezele de 3 Mbps (EDR, Enhanced Data Rate), domeniul acoperit fiind de până la 100m, posibilitatea de a reduce consumul de energie prin modificarea factorului de umplere, îmbunătăŃirea performantelor BER (Bit Error Rate).

SpecificaŃiile Bluetooth precizează posibilitatea de a utiliza canalul de comunicaŃie în 3 moduri:

• flux asincron de date • flux cu maximum 3 canale sincrone vocale • flux asincron de date şi flux sincron pentru voce, simultan

Fluxurile vocale sunt definite ca şi comunicaŃii de 64 kbps folosind PCM

(Pulse Coded Modulation, 8k rata de eşantionare cu 8 biŃi pentru codarea mărimi eşantionului) sau CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation, eşantionare cu 64 kbps, valoarea eşantionului fiind 1 bit care indică creşterea sau scăderea semnalului).

Pentru detecŃia erorilor comunicaŃiile Bluetooth se bazează pe sume de control iar pentru corecŃia acestora folosesc algoritmi FEC (Forward Error Correction) sau ARQ (Automatic Repeat Request).

Topologiile specifice reŃelelor PAN (figura 3.11) sunt:

• reŃea punct-la-punct cu un singur slave • reŃea multi-slave, topologie „star” • reŃea distribuită (scatternet), topologie arborescentă - „tree”

Tehnologia Bluetooth este destinată transmiterii de semnale pe distanŃe scurte

între telefoane mobile, imprimante, PDA-uri, computere desktop sau laptop-uri, faxuri, tastaturi, joystick-uri, căşti audio sau alte dispozitive. Tehnologia mobilă Bluetooth oferă astfel o soluŃie robustă de comunicare şi de sincronizare între dispozitive preconizându-se că va înlocui în mare parte conectările cablate pe distanŃe scurte.

M S

M

ReŃea punt-la-punct

Figura 3.11 Topologii PAN

S M

S

S S

S M

M

S

S

S

S

S

S S ReŃea multi-slave

ReŃea distribuită


91

3.1.6 ComunicaŃii IrDA

ComunicaŃiile IrDA se bazează pe utilizarea radiaŃiei infraroşii ca mediu de

comunicaŃie. Ele sunt reglementate de Infrared Data Association (IrDA, 1993). Conform standardul IrDA 1.0, distanŃa la care se comunică astfel este de

maxim 1 m la lumina zilei (10 klux) şi sub un unghi de deflexie de 15 grade. ComunicaŃia este bidirecŃională (duplex). Viteza de transmisie maximă este 115200 bps (simple IR - SIR sau IrDA 1.0, standard), 4 Mbps (fast IR - FIR sau IrDA 1.1) sau 16 Mbps (very fast IR - VFIR). La nivel fizic există un transceiver IR urmat de blocuri de modulaŃie/codare, serializare şi încadrare (definire cadre). Se utilizează radiaŃie cu lungimea de undă între 0,85 şi 0,90 µm. Pentru viteze de până la 1 Mbps transmisia este sincronă, fără bit de start şi stop, similar cu HDLC (cu extragerea ceasului de recepŃie din secvenŃa de biŃi) folosind CRC pe 16 biŃi pentru gestiunea erorilor. Formatul unui cadru IR este acelaşi cu formatul unui cuvânt emis de portul serial asincron (UART). Un „0” este codat printr-un impuls de ¼ din intervalul de bit iar „1” este codat prin lipsă impuls. Se pot obŃine viteze de 4 Mbps folosind tehnica de modulaŃie 4PPM (Pulse Position Modulation cu 4 poziŃii), care presupune un impuls cu lăŃimea de 1/4 din durata unui bit, poziŃionat în una din cele 4 poziŃii posibile, codificând astfel 2 biŃi de date într-un singur impuls IR (transmisie dibit).

IrDA se bazează pe o stivă de protocoale cu trei niveluri fundamentale (figura 3.13):

• nivelul fizic - Physical Layer (IrPHY, Infrared Physical Layer): specifică mediul fizic, radiaŃia utilizată, distanŃa (0,1m sau 1m), unghiul (30 grade la emisie, 15 grade la recepŃie), modulaŃia, modul (half-duplex), viteza de transfer;

• nivelul protocolului de acces la canalul infraroşu - Infrared Link Access Protocol (IrLAP): este echivalent cu nivelul legăturii de date din modelul ISO/OSI şi se ocupă cu controlul accesului, descoperirea partenerilor de comunicaŃie, stabilirea conexiunii, negocierea rolului în comunicaŃie (primar/secundar);

0 1 0 1 0 0 1 1 0 1

Cadru UART

BiŃi date

Cadru IrDA

BiŃi date

Bit Start

Bit Start

Bit Stop

Bit Stop

Interval de bit

¼ din intervalul de bit

t

t

Figura 3.12 Structura unui cadru IrDA comparativ cu cadrul UART


92

• nivelul protocolului de gestiune a legăturii - Infrared Link Management Protocol (IrLMP): defineşte două aspecte, LM-MUX (Link Management - Multiplexer) care stabileşte canale logice de comunicaŃie multiplă şi permite comutarea dispozitivelor primar/secundar şi respectiv LM-IAS (Link Management - Information Access Service) care furnizează o listă a serviciilor disponibile, preînregistrate de furnizorul de servicii.

Deasupra acestora se găsesc mai multe niveluri opŃionale. Câteva dintre acestea sunt descrise mai jos.

• Tiny TP (Tiny Transport) se ocupă de transportul mesajelor lungi prin

tehnici de segmentare şi reasamblare (segmentation and re-assembly, prescurtarea folosită fiind SAR) şi de controlul fluxului la nivelul canalelor logice;

• IrComm (Infrared Communication Protocol) defineşte moduri de transfer compatibile cu modurile serial sau paralel ale interfeŃelor standard;

• IrLAN (Infrared Local Area Network) standardizează conectarea IR în reŃele locale definind modurile punct de acces (Access Point, AP), peer-to-peer şi gazdă;

• IrObex (Infrared Object Exchange) acoperă schimbul de obiecte de date arbitrare (vCard, vCalendar) între dispozitive IR;

• IrTranP sau IrMC (Infrared Mobile Communication). 3.2 ReŃele Ethernet Una din primele reŃele de comunicaŃie destinată transferului eficient al informaŃiilor între echipamente de calcul a fost realizată experimental de către compania Xerox sub denumirea Ethernet. Ea folosea cablu coaxial ca mediu de transmisie şi lucra la o viteză de 3 Mbps. Accesul la mediul de comunicaŃie era de tip acces multiplu cu sesizarea coliziunilor (CSMA/CD). În 1980, prin colaborarea dintre Intel, Xerox şi Digital Equipment se lansează standardul Ethernet pentru 10Mbps sub denumirea IEEE 802.3 (Ethernet v1.0), completat ulterior în 1985, dar şi în anii care au urmat.

Ethernet este deci o arhitectură de reŃea conformă standardului IEEE 802.3. Elementul fundamental al acestui model de comunicaŃie este protocolul de acces la

Nivel fizic

IrLAP

IrLMP

Tiny TP

IrLAN OBEX IrCOMM IAS

Figura 3.13 Stiva IrDA


93

mediu CSMA/CD (Colision Sense Multiple Access / Collision Detection). Standardul 802.3 defineşte trei viteze de comunicaŃie:

• 10Mbps - 10Base-T sau Ethernet • 100Mbps - 100Base-T sau Fast Ethernet • 1000Mbps - 1000Base-T sau Gigabit Ethernet Deşi de-a lungul timpului Ethernet-ul a concurat şi cu alte standarde, la nivelul

reŃelelor locale el este utilizat în prezent în peste 85% din reŃelele locale datorită flexibilităŃii sale, costurilor reduse de implementare şi uşurinŃei de gestionare. Datorită avantajelor sale, Ethernetul a depăşit cadrul reŃelelor locale, LAN, fiind utilizat şi în reŃelele metropolitane, MAN sub forma Metro Ethernet.

3.2.1 Arhitectura Ethernet

ReŃelele Ethernet pot fi considerate ca fiind alcătuite din noduri ale reŃelei şi medii de interconectare. Nodurile de reŃea se împart în DTE (Data Terminal Equipment, echipament terminal de date) - dispozitive de reŃea care constituie sursa sau destinaŃia cadrelor de date (computere, servere) şi respectiv DCE (Data Communication Equipment) - dispozitive care primesc şi retransmit în reŃea cadrele de date (repetoare, switch-uri, routere, interfeŃe de reŃea).

Topologiile de reŃea asociate Ethernetului sunt de tip punct-la-punct, de tip magistrală sau de tip stea (odată cu apariŃia repetoarelor multiport, 1990).

Ethernet acoperă nivelurile inferioare ale modelului ISO/OSI (figura 3.14). Nivelul legătură de date este subîmpărŃit de IEEE 802 în două subnivele:

- subnivelul client MAC - subnivelul de acces la mediu MAC.

Subnivelul Client MAC poate fi unul din următoarele:

Nivel aplicaŃie

Nivel prezentare

Nivel sesiune

Nivel transport

Nivel retea

Nivel legatură de date

Nivel fizic

ISO / OSI

Acces la mediu (MAC)

Nivel fizic (PHY)

Client MAC

Protocoale de

nivel superior

IEEE 802.3

Figura 3.14 Arhitectura Ethernet comparativ cu modelul ISO / OSI

Specific mediului

Reglementare IEEE 802.3

Reglementare IEEE 802.1, 802.2


94

• Controlul legăturii logice, LLC (Logical Link Control), dacă dispozitivul este un DTE. Acest subnivel realizează interfaŃa logică între comunicaŃia bazată pe cadre Ethernet şi straturile superioare din stiva de protocoale. El este definit de IEEE 802.2 şi se ocupă cu multiplexarea/demultiplexarea datelor, controlul fluxului, detecŃia erorilor sau retransmisii.

• Entitatea punte (bridge), dacă unitatea este DCE. EntităŃile punte asigură interfeŃe LAN-LAN între reŃele ce folosesc aceleaşi protocoale (de exemplu Ethernet la Ethernet) şi de asemenea între protocoale diferite (de exemplu Ethernet la Token Ring). Bridge-urile sunt definite de standardele IEEE 802.1.

Deoarece specificaŃiile pentru nivelul client MAC sunt comune, protocoalele

particulare sunt responsabile de asigurarea compatibilităŃii transferurilor, adică a independenŃei de mediul de comunicaŃie. În figura 3.15 sunt sugerate cerinŃele de compatibilitate necesare.

Subnivelul de acces la mediu, MAC, controlează accesul unui nod la reŃea şi este specific fiecărui protocol individual. Protocoalele trebuie să îndeplinească

Mediu

Client MAC

MAC, IEEE 802.3

Nivel fizic independent de mediu

MII

Nivel fizic dependent de mediu

PCS, PMA, AN*

MDI

Legătură fizică

Mediul de comunicaŃie, codarea mesajului, viteza transmisiei

Viteza transmisiei

Data Link

MII - InterfaŃa independentă de mediu MDI - InterfaŃa dependentă de mediu, conectorul de legături PCS - Phisical Coding Sublayer PMA - Phisical Medium Attachment AN* - Auto-negociation (optional)

Client MAC

MAC, IEEE 802.3

Nivel fizic independent de mediu

MII

Nivel fizic dependent de mediu

PCS, PMA, AN*

MDI

Figura 3.15 Modelul de referinŃă şi cerinŃe de compatibilitate Ethernet

PHY


95

aceleaşi seturi de cerinŃe logice, neŃinând seama dacă acestea includ sau nu extensii ale protocoalelor respective. Singura cerinŃă pentru comunicaŃia de bază (comunicaŃie care nu necesită extensii ale protocoalelor) între două noduri din reŃea este ca ambele interfeŃe MAC să suporte aceleaşi viteze de transmisie.

Subnivelul MAC are două responsabilităŃi primare: • Încapsularea datelor, incluzând asamblarea cadrelor înainte de transmisie,

analiza lor şi detecŃia erorilor în timpul şi după transmisie; • Controlul accesului la mediu, incluzând iniŃializarea transmisiei cadrelor de

date şi refacerea legăturilor pierdute.

3.2.2 Cadrul de date Ethernet Formatul de bază al cadrelor de date conform IEEE 802.3 conŃine şapte câmpuri ilustrate în figura 3.16.

• Preambul (PRE) - este format din şapte octeŃi. PRE-ul reprezintă un şir alternativ de biŃi „0” şi „1” care informează staŃiile că urmează un cadru de date şi permite acestora să se sincronizeze;

• Delimitatorul de început de cadru (SOF – start of frame) - este alcătuit dintr-un octet, o alternanŃă de „0” şi „1” care se încheie cu doi biŃi „1” succesivi, marcând astfel momentul de început al şirului corespunzător adresei destinaŃie (poziŃia cea mai din stânga);

• Adresa destinaŃie (DA – destination address) - este alcătuită din şase octeŃi. Câmpul DA are rolul de a identifica care staŃie trebuie să recepŃioneze cadrul. Adresa poate fi individuală sau de grup, administrată global sau local.

• Adresa sursă (SA - source address) - este de asemenea alcătuită din şase octeŃi. Rolul său este de a identifica staŃia ce a trimis cadrul. SA-ul este întotdeauna o adresă individuală şi bitul său cel mai din stânga este zero.

• Lungime/Tip (Length/Type) - constă din 4 octeŃi. Acest câmp indică fie numărul octeŃilor de date MAC ce sunt conŃinuŃi în câmpul de date al cadrului (dacă valoarea este mai mică decât 1500), fie tipul cadrului (ID), dacă acesta este asamblat folosind un format opŃional (caz în care valoarea sa este mai mare de 1536 indicând un tip particular de cadru).

• Data - este o secvenŃă de n octeŃi cu orice valoare, unde n este mai mic sau egal cu 1500. Dacă lungimea câmpului de date este mai mică decât 46 de octeŃi, acest câmp trebuie să fie completat cu câmpul pad.

• SecvenŃa de verificare a cadrelor (FCS – Frame Check Sequence) - constă din 4 octeŃi. Această secvenŃă reprezintă valoarea obŃinută prin procedura CRC (verificare redundantă ciclică) la emisie şi comparată cu valoarea corespunzătoare obŃinută la recepŃie. Are lungimea de 32 biŃi şi acoperă câmpurile semnificative (fără preambul şi delimitator). Atunci când o staŃie doreşte să lanseze o cerere de transmisie va iniŃia

asamblarea cadrului de date construind câmpurile corespunzătoare (figura 3.16). Cadrul subnivelului LLC va fi apoi transmis către buffer-ul subnivelului MAC, transmisia acestuia fiind apoi condiŃionată de modul de lucru half/full duplex al canalului.


96

IEEE 802.3 stabileşte ca mod fundamental comunicaŃia half-duplex şi opŃional full-duplex.

Transmisia half-duplex constă în lansarea cadrelor de date într-un mediu de comunicaŃie partajat de mai multe dispozitive, fără o arbitrare centrală sau sloturi de timp atribuite staŃiilor. Această metodă de acces la mediu este cunoscută sub denumirea CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection şi se bazează pe reguli sugerate de altfel în denumirea metodei:

• Observarea transportului (Carrier Sense) - Fiecare staŃie urmăreşte în mod continuu traficul pentru a determina când apare o întrerupere a şirului de cadre transmise.

• Acces Multiplu (Multiple Access) - StaŃiile pot începe să transmită în orice moment dacă sesizează „linişte” în mediul de comunicaŃie (nu există trafic).

• DetecŃia Coliziunilor (Collision Detection) - Dacă două sau mai multe staŃii din aceeaşi reŃea CSMA/CD (acelaşi domeniu de coliziune) încep să transmită în simultan, şirurile de biŃi ale acestora vor interfera (va avea loc o coliziune) şi ambele transmisii vor fi indescifrabile. StaŃiile care transmit trebuie să fie capabile să detecteze faptul că o coliziune a avut loc înainte să termine să transmită tot cadrul şi să oprească transmisia în momentul în care a detectat coliziunea. După un interval de timp de aşteptare se reia transmisia cadrului.

ApariŃia coliziunilor este în legătură directă cu timpul necesar unui cadru să călătorească de la o sursă către o destinaŃie. Cu cât distanŃa este mai mare cu atât timpul necesar emiŃătorului să sesizeze o eventuală corupere a datelor creşte. Intervalul de timp respectiv se numeşte fereastră de coliziune. De asemenea, o lungime mare a cadrului va face să crească probabilitatea apariŃiei coliziunilor. În reŃelele de viteză ridicată, având în vedere că viteza de propagare a semnalelor electrice este aceeaşi, pentru a păstra coliziunile la un nivel rezonabil, s-a impus o lungime mai mică a segmentului de date folosit în comunicaŃie. În reŃelele Gigabit, de exemplu, s-a păstrat acelaşi domeniu de coliziune ca la Fast Ethernet, dar s-a introdus o extensie non-data care simulează o trenă ce este eliminată la recepŃie.

Ordinea de transmisie: stânga-dreapta, serial, bit cu bit

Acoperirea detecŃiei erorii FCS

DistanŃa de generare FCS

PRE SFD DA SA Lungime/Tip Data Pad FCS

46 -1500 7 1 6 6 4 4

Lungimea câmpului, în bytes

PRE - Preambul SFD - Începutul delimitatorului de frame-uri DA - Adresa destinaŃie SA - Adresa sursă FCS - SecvenŃa de verificare a frame-urilor

Figura 3.16 Formatul de bază al cadrelor de date IEEE 802.3 MAC


97

FuncŃionarea full-duplex este opŃională şi permite transmiterea simultană, în ambele sensuri, a două cadre, pe conexiuni punct la punct. Transmisia full-duplex este, din punct de vedere funcŃional, mai simplă decât transmisia half-duplex, pentru că aceasta nu implică coliziuni, nu implică retransmiterea ulterioară a datelor şi de asemenea nu necesită biŃi de extensie la sfârşitul cadrelor scurte. Transmisiile pot începe în momentul în care cadrele sunt gata pentru transmis. Singura restricŃie este că trebuie să existe o perioadă minimă de timp între două cadre succesive (IFG, Inter Frame Gap). O problemă importantă este legată de controlul fluxului de date. Într-o reŃea Ethernet full-duplex este posibil ca receptorul să nu aibă capacitatea de a prelua cadrele la viteza la care sunt ele lansate de emiŃător. În aceste situaŃii receptorul supra-aglomerat trimite un cadru de pauză (cadru de control cu lungime şi de tip specificat, dar şi cu adresă MAC rezervată pentru ca acesta să nu fie difuzat mai departe în alte reŃele) prin care anunŃă emiŃătorul că trebuie introdus un timp de aşteptare înainte de a se trimite un alt cadru. La recepŃionarea unui cadru de date dispozitivul analizează câmpul adresă şi dacă regăseşte adresa proprie (sau un spaŃiu de adresare din care face parte) atunci compară lungimea cadrului şi valoarea CRC din câmpul FCS şi identifică tipul cadrului pe baza conŃinutului din câmpul Lungime/Tip. Dacă nu există eroare, cadrul este înaintat către următorul nivel. Dacă există eroare se încearcă corectarea acesteia (dacă informaŃia CRC este suficientă pentru a identifica poziŃia biŃilor eronaŃi) sau se solicită retransmisia cadrului. 3.2.3 Cadrul VLAN

OpŃiunea VLAN (Virtual LAN) este un concept ulterior apariŃiei Ethernet-ului. Acest mod de operare se bazează pe capacitatea echipamentelor de dirijare a traficului de la nivelul MAC (switch-uri) de a procesa cadrele de date pe care le vehiculează. Din acest motiv elementele de bază VLAN au fost prezentate în capitolul anterior (2.4.3). Astfel, în cadrul de date MAC se introduce o secvenŃă suplimentară, numită header VLAN (figura 3.17), care conŃine două câmpuri: identificatorul tipului de VLAN (2 octeŃi, VLAN type ID) şi informaŃii de control a destinaŃiei (2 octeŃi, Tag Control Information) care include prioritatea (de la 0 la 7) şi identificatorul VLAN-ului. .

Header VLAN

PRE SFD DA SA VLAN ID TAG LUNG/TIP Data PAD FCS Ext

Câmpuri ale formatului de bază

Figura 3.17 Formatul cadrelor VLAN


98

OpŃiunea VLAN permite ca transmiterea cadrelor critice ca întârziere să se facă mai eficient datorită definirii de priorităŃi. Se oferă astfel posibilitatea ca gazdele să fie grupate în grupuri virtuale, logice, de-a lungul mai multor reŃele locale. Bridge-urile şi switch-urile vehiculează cadrele numai între porturile definite ca aparŃinând aceluiaşi VLAN, Ńinând seama de priorităŃi şi analizând identificatorul VLAN din structura cadrului. Când un cadru VLAN ajunge la o staŃie (host), aceasta va ignora header-ul VLAN.

Pentru a defini o reŃea VLAN este necesar ca toate nodurile implicate (switch-uri, bridge-uri) să aibă această facilitate. Ea este inclusă de obicei printre funcŃiile switch-urilor „cu management”. 3.2.4 Semnale electrice utilizate în legăturile Ethernet

InterfeŃele de reŃea (NIC - Network Interface Card) sunt cele care implementează cele două niveluri inferioare ale stivei ISO/OSI. Pentru a identifica parametrii fizici ai comunicaŃiei se utilizează o convenŃie de nume care este o concatenare a trei termeni ce indică viteza de transmisie şi metoda de transmisie (sau de codare) folosită, aşa cum se observă şi din exemplele următoare:

• 10Base-T = 10 Mbps, banda de bază, pe două perechi răsucite, 100 m • 100Base-T2 = 100Mbps, banda de bază, pe două perechi răsucite, 100 m • 100Base-T4 = 100Mbps, banda de bază, pe patru perechi răsucite, 100 m • 1000BASE-T = 1000Mbps, banda de bază, pe patru perechi răsucite, 100 m • 1000BASE-SX = 1000Mbps, fibră multimod, 850 nm; 500 m • 1000BASE-LX = 1000Mbps, fibră monomod, 1270 nm - 1355 nm; 5 km • 1000BASE-BX10 = 1000Mbps, fibră monomod, o singură fibră pentru ambele

sensuri: 1490nm downstream, 1310 nm upstream; 10 km • 1000BASE-ZX = 1000Mbps, fibră monomod la 1550 nm, 70 km

Termenul „base” care intervine în convenŃia de mai sus se datorează faptului

că standardul iniŃial prevedea şi transmisiuni de bandă largă, „broadband”, care însă nu au avut succes comercial. Toate implementările curente ale Ethernet-ului folosesc transmisie în banda de bază, „baseband”.

La transmisiunile în banda de bază şirul de biŃi este direct transpus în succesiuni de impulsuri care sunt lansate pe canalul de comunicaŃie. Aceste impulsuri sunt atenuate (reduse ca amplitudine) şi distorsionate (cu forma schimbată) atunci când ajung la destinaŃie. Pentru a reconstrui secvenŃa de biŃi, semnalul recepŃionat este filtrat şi format cu circuite corespunzătoare după care forma de undă este eşantionată la momente determinate de timp. Pentru ca aceste operaŃiuni să poată avea loc este necesar ca forma de undă utilizată pentru transport să permită extragerea semnalului de ceas utilizat (sincronizare) şi să nu determine deplasări de nivel continuu.

Deoarece liniile de comunicaŃie conŃin cuplaje capacitive şi inductive (transformatoare) acestea nu vor permite trecerea componentei continue originale şi, ca urmare, forma de undă va suferi inevitabil deplasări în curent continuu menite să conducă la o valoare medie nulă (re-axare pe valoarea zero, deci deplasare de


99

nivel). Pragul de decizie nu mai este cel corect în acest caz. În figura 3.18 este exemplificat fenomenul descris.

Fenomenul nu este specific doar reŃelelor Ethernet, ci apare în toate sistemele de comunicaŃie unde informaŃiile sunt vehiculate ca succesiuni de impulsuri şi în mod particular în cazul transmisiunilor binare în banda de bază. Minimizarea acestui fenomen este unul din obiectivele urmărite prin utilizarea codurilor de linie.

Pentru a elimina inconvenientele menŃionate, primele implementări ale Ethernet-ului (10Base-T inclusiv) codau biŃii prin tranziŃii de semnal şi nu prin nivele, metodă numită codare Manchester (figura 3.19) În acest mod, chiar şi în cazul şirurilor lungi de „0” sau „1” apar tranziŃii, deci ceasul de transmisie poate fi uşor extras. Mai mult, componenta continuă este nesemnificativă deoarece valoarea medie a semnalului este nulă. Dezavantajul codării Manchester este însă faptul că se generează o formă de undă care necesită o bandă de trecere mai largă: dacă s-ar transmite o secvenŃă alternativă de „0” şi „1” atunci, în urma codării Manchester rezultă un semnal cu frecvenŃa dublă. Această creştere a benzii necesare a canalului face ca la viteze mari metoda să nu fie eficientă pentru că implică o bandă ocupată dublă.

Deplasare de nivel cc

Nivel de referinŃă

Prag de decizie

1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0

Filtru trece sus (Cuplare AC)

Şirul de biŃi de ieşire cu abatere de la referinŃă

Şirul de biŃi de intrare

Figura 3.18 Distorsionarea semnalului în banda de bază

1 0 1 1 0 0 1 0

Figura 3.19 Codare Manchester


100

Versiunile ulterioare ale Ethernet şi în special Gigabit Ethernet folosesc şi alte proceduri de codare, ce includ alte tehnici, cum ar fi:

• Folosirea datelor mixate (scrambler) - este o procedură care re-aşează ordinea biŃilor, aleatoriu, astfel încât unele valori „0” sunt transformate în valori „1”, unele valori „1” sunt transformate în valori „0” iar câŃiva biŃi rămân neschimbaŃi. Rezultatul este o lungime redusă a secvenŃelor constante şi un număr mai mare de tranziŃii, care uşurează recuperarea ceasului de transmisie.

• Expandarea spaŃiului codului - este o tehnică care permite asignarea de coduri separate pentru date şi simboluri de control (cum ar fi delimitatorii de început şi de sfârşit de şir, biŃii de extensie etc.) şi care facilitează detecŃia erorilor de transmisie.

• Folosirea codurilor de corecŃie a erorilor ulterioare (FEC- Forward Error Correction) - reprezintă o codare în care o informaŃie redundantă este adăugată la şirul de date transmis astfel încât unele erori de transmisie să poată fi corectate în timpul recepŃiei fluxului de date.

3.3 Transmiterea informaŃiilor folosind infrastructura telefonică 3.3.1 Sistemul telefonic

Atunci când se pune problema de a interconecta două sisteme aflate la distanŃă

soluŃia imediată constă în utilizarea reŃelei telefonice, motivul fiind foarte simplu: infrastructura telefonică acoperă aproape în întregime zonele populate ale lumii.

O astfel de reŃea de transport vocal care permite interconectarea utilizatorilor pe scară largă este cunoscută sub denumirea de PSTN (Public Switched Telephone Network - reŃea telefonică comutată publică). ReŃeaua telefonică clasică, analogică, se bazează şi în prezent, pe sistemul propus de Alexander Graham Bell în 1878. Bell a alocat unui canal vocal lăŃimea de bandă de 3100 Hz (300Hz - 3400Hz) considerată acoperitoare pentru păstrarea inteligibilităŃii vocii umane. Toate echipamentele dezvoltate ulterior, de la microfoane şi sisteme de transport până la dispozitive de redare a vocii au fost optimizate în acest scop.

ReŃea telefonică cu conexiuni individuale

ReŃea telefonică cu comutator central

ReŃea telefonică ierarhizată pe două nivele

Figura 3.20 Arhitecturi pentru sisteme telefonice


101

Primele conexiuni telefonice erau legături directe între perechi de aparate telefonice. Neajunsul acestui mod de conectare a condus la apariŃia primului oficiu telefonic (1878, în New Haven, Connecticut; Bell Telephone Company) care aloca câte o pereche de conductoare fiecărui abonat, legătura dintre aceştia făcându-se de către un operator pe baza unei cereri verbale. Ulterior mai multe oficii poştale s-au interconectat, redevenind actuală problema iniŃială: oficiile trebuiau să aibă legături fiecare cu fiecare. În acest moment au apărut oficiile telefonice de nivel doi. Aceasta direcŃie de evoluŃie s-a dezvoltat până la un număr de 5 niveluri ierarhice. EvoluŃia arhitecturilor sistemelor telefonice este sugerată în figura 3.20.

În perioada care a urmat au apărut diverse îmbunătăŃiri la toate nivelurile,

principiul rămânând însă neschimbat mai bine de 100 de ani. În prezent, sistemul telefonic este implementat ca o ierarhie pe mai multe

niveluri cu un grad mare de redundanŃă. Fiecare abonat este conectat printr-o pereche de conductoare („cupru”) la un oficiu final (numit şi oficiu central local). Legătura formată de cele două fire între un terminal telefonic şi oficiul final este cunoscută în termeni tehnici sub numele de buclă locală. Oficiile finale sunt conectate la oficii de taxare (sau dacă sunt în aceeaşi zonă locală, oficii în tandem) prin linii numite trunchiuri de conectare (toll connecting trunks). (figura 3.21).

Sistemul telefonic analogic a început să fie înlocuit în anii `70 cu soluŃii digitale. Asta a

însemnat că mesajul audio nu mai este transportat prin variaŃia continuă a unui parametru a unui curent sau a unei tensiuni (modulaŃie analogică), ci prin şiruri de biŃi obŃinuŃi prin conversia analog-digitală a semnalului vocal. Avantajele au fost imediate: un bit „1” sau „0” este tot „1” sau „0’ şi la destinatar, deci mesajul reprodus este extrem de fidel. În plus, extragerea biŃilor din semnalul electric este mai simplă decât extragerea semnalului vocal, este posibilă refacerea secvenŃelor eronate în timpul transmisiei şi se pot transmite şi alte informaŃii împreună cu cele vocale (video, fax).

Sistemul telefonic este alcătuit în general din trei componente majore: • Bucle locale (cablu torsadat, transmisie analogică) • Trunchiuri (conductoare, fibre optice sau microunde, cele mai multe digitale) • Echipamente (oficii) de comutare.

Transmiterea semnalelor analogice la distanŃă face ca acestea să fie afectate de

atenuare, distorsiuni de întârziere şi zgomote. Atunci când o cale de propagare induce într-o altă cale alăturată un semnal nedorit (dependent de semnalul din calea primară) apare fenomenul de diafonie. Datorită întârzierilor la propagare şi reflectării de către receptor a

Oficiu final

Oficiu de taxare

Oficii de comutare intermediare Oficiu

final

Oficiu de taxare

Buclă locală Trunchiuri de

conectare la oficiile de taxare

Trunchiuri de bandă foarte largă între oficiile de taxare

Buclă locală Trunchiuri de

conectare la oficiile de taxare

� �

Figura 3.21 Interconectarea abonaŃilor în sistemele telefonice


102

semnalului recepŃionat (din considerente legate de separarea incorectă a căilor de emisie şi recepŃie, neadaptarea de impedanŃă sau diafonie) poate să apară şi un alt fenomen supărător, ecoul.

Pe baza observaŃiei că de cele mai multe ori transmisia de semnal are loc într-un singur sens (convorbirile vocale sunt de obicei nesimultane iar transmisiunile de date au de cele mai multe ori un sens prioritar preponderent), s-au conceput dispozitive care întrerup sau atenuează un sens când acesta nu este exploatat. Schimbarea sensului presupune comutarea întreruperii sau atenuării pe celalalt circuit, operaŃiune care poate determina pierderea începutului semnalului transmis (datorită întârzierilor de comutare după sesizarea schimbării sensului), ceea ce nu este permis în transmisiunile de date, dar nu este catastrofic în transmisiunile vocale. Aceste dispozitive numite supresoare de ecou sunt satisfăcătoare doar pentru întârzieri nu prea mari, atunci când corespondenŃii nu se întrerup reciproc iar durata ecoului nu este excesivă. Pentru aplicaŃiile pretenŃioase au fost dezvoltate dispozitive complexe care depăşesc aceste limitări, dispozitive numite compensatoare de ecou. Acestea utilizează o tehnică digitală de compensare care constă în generarea unei replici a ecoului (prin tehnici de extragere, predicŃie, întârziere) care este scăzută din semnalul recepŃionat, astfel încât rezultatul este doar semnalul util.

Telefonia analogică

În cazul transmisiunilor analogice se utilizează un domeniu continuu de variaŃie al spectrului de frecvenŃe vocale. În banda de bază acest spectru corespunde benzii de frecvenŃe naturale asociate comunicării vocale umane, eventual limitat la banda de trecere a canalului utilizat. Semnalul vocal modulează un semnal electric, de obicei curentul de linie din bucla de abonat. La nivelul oficiilor locale sunt gestionate mai multe bucle de abonat, fiind necesare tehnici care să permită transportul simultan al mai multor căi vocale pe aceiaşi infrastructură fizică. Pentru aceasta se utilizează tehnici de modulaŃie analogică (în amplitudine, în frecvenŃa sau în fază), care permit şi translatarea spectrului de frecvenŃe din banda de bază în benzile de transport. O tehnică uzuală este FDM (Frequency Division Multiplexing). Pentru a utiliza reŃeaua de telefonie analogică în scopul interconectării sistemelor de calcul este necesar ca şirul de biŃi emişi serial de un echipament să fie convertiŃi în semnale vocale care să poată fi acceptate de canalul telefonic analogic. Dispozitivele care realizează această conversie, în ambele sensuri, se numesc modem-uri. Tehnica folosită este modulaŃia/demodulaŃia. Pentru a realiza transmisiuni binare pe canale telefonice analogice cea mai simplă metodă ar consta în a asocia bitului „0” o frecvenŃă f0 şi bitului „1” o frecvenŃă f1, ambele din banda acceptată de canalul telefonic. Metoda este o modulaŃie discretă de frecvenŃă şi se numeşte FSK (Frequency Shift Keying – comutarea frecvenŃei). În mod similar se pot asocia amplitudini (ASK – Amplitude Shift Keying) sau faze (PSK – Phase Shift Keying). Dacă biŃi care urmează a fi transmişi sunt grupaŃi câte doi, atunci vor rezulta 4 perechi posibile, cărora li se pot asocia 4 frecvenŃe. Astfel, atunci când receptorul recepŃionează o frecvenŃă identifică de fapt 2 biŃi. Pentru aceeaşi viteză de comutare a frecvenŃelor, viteza binară s-a dublat. Acest tip de transmisie se numeşte transmisie dibit. Dacă biŃii grupaŃi sunt mai mulŃi, viteza creşte şi mai mult, preŃul plătit (şi limita fizică) fiind legată de apropierea frecvenŃelor utilizate una de alta şi de dificultatea separării lor la recepŃie (necesită filtre costisitoare). Acelaşi principiu se poate aplica şi în cazul ASK sau PSK. În prezent cele mai performante transmisii


103

sunt cele PSK unde s-a ajuns la 64 (6 biŃi grupaŃi) sau 128 (7 biŃi grupaŃi) de nivele de fază. Telefonia digitală Transmisiunile digitale presupun transportul semnalelor vocale ca şiruri de biŃi. În prezent aproape toate transmisiunile telefonice conŃin segmente de transport digital, cel puŃin la nivelele superioare (după oficiile locale). Transportul digital se realizează pe perechi de conductoare, pe fibră optică sau pe canale radio şi este foarte asemănător transportului din reŃelele de calculatoare. Mult timp digitizarea a ocolit bucla de abonat, dar în prezent a fost împinsă tot mai aproape de utilizatorul final. Astfel, semnalul analogic furnizat de microfonul aparatului telefonic este convertit în semnal digital direct la nivelul aparatului telefonic, care este direct interfaŃat cu o cale de transport de date. Cele mai răspândite sisteme de telefonie digitală utilizate sunt ISDN (pentru reŃelele PSTN) sau VoIP (în reŃelele de date). Ele vor fi prezentate mai târziu în acest capitol. Tehnicile curente de conversie analog-digitală sunt PCM (Pulse Coded Modulation, modulaŃia impulsurilor în cod) şi CVSD (Continuously Variable Slope Delta Modulation sau modulaŃie delta). În cazul PCM semnalul electric analogic vocal este eşantionat cu o rată de 8 kHz (8000 de eşantionări pe secundă). Fiecare eşantion analogic este convertit într-un cuvânt binar pe 8 biŃi (deci acoperă 64 de nivele discrete de amplitudine). Prin urmare este necesar un debit binar de Număr eşantioane x Număr biŃi pe eşantion = 8 k/s x 8b = 64 kbps (3.1) Un canal telefonic digital standard are aşadar o lăŃime de bandă de 64 kbps.

În cazul CVSD modulaŃia constă în transmiterea unui bit care indică

necesitatea introducerii unui salt pozitiv sau negativ de semnal (după cum bitul este „1” sau „0”) în scopul urmăriri variaŃiei sursei. La emisie generarea bitului respectiv se face prin compararea nivelului de semnal cu ieşirea unui convertor D/A. Pentru o aceeaşi lăŃime de bandă ca şi PCM standard, CVSD va face 64000 de comparaŃii într-o secundă. În cazul sistemelor telefonice digitale nu mai este necesară utilizarea modem-urilor pentru a permite transferul de date, deoarece echipamentele de comunicaŃie fiind deja digitale, oferă un port de acces direct (de obicei o interfaŃă Ethernet).

Pentru a mări eficienŃa unei transmisiuni se pot utiliza şi tehnici de compresie sau tehnici de codare. O schemă de compresie foarte utilizată este MNP5 (Microcom Network Protocol 5), care foloseşte o codificare prin care se înlocuieşte o secvenŃă de biŃi identici cu numărul de apariŃii al acestor biŃi.

Comutarea legăturilor în reŃelele telefonice

Echipamentele de comunicaŃie telefonică utilizează două tehnici de comutare diferite: comutarea de circuite şi comutarea de pachete. În reŃelele telefonice analogice se utilizează comutarea de circuite în timp ce reŃelele digitale se bazează exclusiv pe comutaŃia de pachete sau mesaje.

(a) ComutaŃia de circuite se referă la interconectarea electrică, selectivă, a circuitelor fizice folosind echipamente de comutaŃie. Astfel, atunci când echipamentul de comutaŃie primeşte informaŃia de selecŃie (numerotare, „dial”) de la un abonat,


104

identifică destinaŃia şi realizează o legătură electrică cu circuitul respectiv prin intermediul unor comutatoare rotative cu perii acŃionate de motoare electrice (centralele telefonice rotative) sau cu relee diferenŃiale comandate într-o configuraŃie matricială (centrale telefonice matriciale). Atunci când găsirea unei destinaŃii presupune identificarea căii în mai multe centre de comutare (centrale telefonice) aflate pe traseu, timpul de aşteptare creşte semnificativ. Odată stabilită o legătură ea nu mai depinde însă de alŃi factori. Legătura trebuie menŃinută pe toată durata sesiunii de comunicaŃie, indiferent dacă se transmite sau nu ceva. (b) O alternativă la tehnica de comutare de circuite este comutarea de mesaje. Atunci când se utilizează acest tip de comutare, nu se stabileşte de la început o cale între apelant şi apelat. În schimb, atunci când apelantul are de transmis un bloc de date, acesta este memorat în primul oficiu de comutare („ruter”) şi este retransmis mai târziu. Acest principiu este cunoscut sub numele „memorează şi retransmite”. Primul sistem de telecomunicaŃie electromecanic care se baza pe comutarea de mesaje a fost folosit pentru telegrafie, succesiunea de mesaje constituind telegramele. Mesajul era perforat pe o bandă de hârtie la oficiul de transmisie, banda ce era apoi citită şi transmisă pe o linie de comunicaŃie către următorul oficiu de pe traseu, unde era perforat pe o altă bandă de hârtie ş.a.m.d. În cazul comutării de mesaje, nu există o limită a dimensiunii blocului transmis, ceea ce înseamnă că ruterele din sistemele moderne necesită spaŃii de stocare (hard-disk-uri) pentru memorarea unor blocuri lungi de date. De asemenea, acest lucru înseamnă că un singur bloc poate ocupa o linie ruter-ruter minute întregi, comutarea de mesaje nefiind utilă pentru traficul interactiv. Pentru a rezolva aceste probleme, a fost propusă o altă tehnică, comutarea de pachete.

(c) ReŃelele cu comutare de pachete fixează o limită superioară precisă pentru dimensiunea blocului de date, permiŃând pachetelor să fie păstrate în memoria principală a ruterului (acces rapid) în loc să fie stocate într-un spaŃiu de stocare (acces lent). Astfel nici un utilizator nu va putea monopoliza o linie de transmisie timp îndelungat, iar pachetele pot fi lansate intercalat, folosindu-se la maximum intervalele de timp neutilizate dintre două pachete ale aceleaşi sesiuni.

Comutarea pachetelor în telefonia digitală este similară cu rutarea pachetelor de date în reŃelele de calculatoare.

Criteriu Comutarea de

circuite Comutarea de

pachete Cale conductoare dedicată Da Nu Banda de frecvenŃă alocată Fixă Dinamică Banda de frecvenŃă eventual risipită Da Nu Transmisie „memorează şi retransmite” Nu Da Fiecare pachet urmează aceeaşi cale Da Nu Realizarea conectării electrice Necesară Nu e necesară ApariŃia de congestii La momentul setării La fiecare pachet Taxarea Pe unitate de timp Pe pachet

Tabelul 3.22 ComparaŃie între reŃelele cu comutare de circuite şi cele cu comutare de pachete.


105

Comutarea pachetelor este mult mai eficientă decât comutarea circuitelor pentru

că exploatează toate disponibiltăŃile de comunicaŃie (bandă, viteză). ComutaŃia circuitelor presupune şi disponibilităŃi neexploatate (capacitate de transport neutilzată în cadrul unui circuit, de exemplu, sau timpi „morŃi”). La comutarea de pachete taxarea se bazează pe volumul de octeŃi transferaŃi, în timp ce la comutaŃia circuitelor se ia în considerare în primul rând timpul cât circuitul a fost ocupat.

O comparaŃie între metodele de comutaŃie existente este prezentată în tabelul 3.22.

n x k n

n x k n

n x k n

n x k n

N intrări

n

N

n

N×

n

N

n

N×

n x k

n x k

n x k

n x k

N ieşiri

Fig. 3.24 Comutarea circuitelor folosind divizarea în spaŃiu

Comutatoare matriciale

2

2

⋅+⋅⋅=n

NkNkC

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

Comutator matricial

Conexiune

Figura 3.23 Comutarea circuitelor folosind comutatoare matriciale

NNC ×=


106

Comutarea circuitelor foloseşte în unele cazuri comutatoare matriciale. Acestea presupun realizarea unei legăturii electrice la intersecŃia liniei şi coloanei dintr-o matrice, ca în figura 3.23.

În cazul comutaŃiei matriciale simetrice cu N intrări şi N ieşiri este necesară asigurarea unui număr C de conexiuni posibile (puncte de încrucişare la fiecare intersecŃie linie – coloană):

NNC ×= (3.1) Pentru un număr mare de circuite dimensiunea matricei de comutare creşte

excesiv şi este greu de gestionat. De aceea matricea se divizează în matrici de dimensiuni mai mici, interconectate, soluŃia numindu-se comutare cu divizare în spaŃiu. În acest caz se realizează o comutare pe mai multe niveluri care este mai uşor de gestionat. Totodată numărul maxim de conexiuni ce trebuie asigurat se reduce diminuând corespunzător şi costul de implementare. Considerând o comutare cu divizare în spaŃiu tot cu N intrări şi N ieşiri, pe trei nivele (figura 3.24), rezultă în acest caz un număr C de conexiuni (puncte de încrucişare) posibile:

2

2

⋅+⋅⋅=n

NkNkC (3.2)

Este evident faptul că în acest mod se obŃine un număr mult mai mic de puncte

de încrucişare. În reŃelele cu comutare de pachete o soluŃie uzuală de comutare se bazează pe

comutatorul cu divizare în timp. Acesta preia cadrele de intrare într-un buffer de memorie în ordinea în care sosesc de la un multiplexor secvenŃial şi le retrimite într-o altă ordine către un demultiplexor, motiv pentru care comutatorul cu divizare în timp se mai numeşte şi schimbător de cuante (figura 3.25). Pentru a putea reordona cuantele schimbătorul trebuie să aibă posibilitatea de a le memora într-o memorie tampon (buffer, memorie RAM) de unde să le extragă la momentul potrivit. Principiul este asemănător multiplexării în timp, deosebirea fundamentală fiind necesitatea reordonării cuantelor.

MUX 0 1 2 3 4 5 6 7

DE MUX

6 3 7 4 1 0 5 2

RAM

Logică control

Schimbător de cuante

Cadru intrare Cadru ieşire

Cuante timp

7 6 5 4 3 2 1 0

2 5 0 1 4 7 3 6

Tabel de alocare

intrări ieşiri

Fig. 3.25 Comutare cu divizare în timp


107

În scopul realizării mai multor legături pe o singură cale de comunicaŃie se poate aplica principiul general al multiplexării, transmisia realizându-se prin divizare în timp (TDM – Time Division Multiplexing), în frecvenŃă (FDM – Frequency Division Multiplexing) sau cu divizarea lungimii de undă (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Fiecare din aceste tehnici permite optimizarea transmisiei ca timp de transmisie consumat (TDM), ca acoperire a spectrului de frecvenŃe (FDM) sau ca interval al lungimilor de undă (WDM, în cazul transmisiunilor pe fibră optică).

3.3.2 ReŃele digitale pentru servicii integrate, ISDN

ISDN este acronimul pentru reŃea digitală cu integrarea serviciilor (Integrated Services Digital Network) şi este un concept care se bazează pe transferul digital de voce şi date (servicii integrate) până la nivel de abonat, pe infrastructura telefonică. ISDN oferă astfel simultan telefonie de calitate şi acces la servicii de date.

Conceptul ISDN se bazează pe definirea de canale digitale virtuale, astfel: A - canal telefonic analogic de 4 kHz B - canal PCM digital pentru voce sau date de 64 kbps C - canal digital de 8 sau 16 kbps D - canal digital pentru semnalizare în afara benzii, de 16/64 kbps E - canal digital pentru semnalizare în interiorul benzii, de 64 kbps H - canal digital de 384, 1536 sau 1920 kbps. ISDN defineşte o conexiune cu canale multiple, care se bazează pe

multiplexarea cu divizare în timp a datelor. Standardele de comunicaŃie definesc trei metode de acces ISDN:

• acces de bază: 2B + 1D • acces primar: 23B + 1D (SUA, Japonia) sau 30B + 1D (Europa) • acces hibrid: 1A + 1C

(a) Accesul de bază 2B + 1D asigură un flux de date de 144 kbps. Dacă se ia în

considerare şi supraîncărcarea aferentă procesului de multiplexare şi încadrare (framing, F – figura 3.26), viteza efectivă de transfer a datelor pe un canal de acces de bază este de 192kbps, care reprezintă viteza de transmisie la nivelul interfeŃei corespunzătoare liniei.

Accesul de bază reuneşte două canale purtătoare (B) şi un canal de date (D). Cele trei canale sunt multiplexate în timp pe o aceeaşi pereche de conductoare torsadate. Fiecare canal purtător poate transporta un mesaj vocal digitizat sau un flux de date cu o viteză de transmisie de 64 kbps. În cadrul ISDN, semnalul vocal digitizat este codificat PCM. Utilizatorul are astfel acces la un două canale de 64 kbps care pot fi folosite după caz pentru două convorbiri telefonice digitale simultane, o convorbire şi un transfer de date de 64 kbps sau numai transfer de date de 128/144 kbps. Pe o linie ISDN cu acces de bază se pot conecta şi adresa independent până la opt dispozitive diferite (de exemplu 8 telefoane ISDN, cu numere distincte, din care doar 2 pot fi utilizate simultan). Această extensie a modului de adresare este posibilă datorită canalului D care este destinat să controleze canalele B (prin funcŃii de avertizare şi control). În acest mod mai multe dispozitive (telefon, fax, modem) partajează acelaşi canal de comunicaŃie (figura 3.26).

În cazul accesului de bază interfaŃarea dispozitivelor la nivelului clientului se realizează prin intermediul unui echipament specializat numit terminal de reŃea (NT,


108

Network Terminal). Acesta oferă porturi digitale pentru echipamente specifice (telefon digital, port de date pentru calculator), dar şi porturi analogice care permit utilizarea aparatelor telefonice clasice (dar fără acces la servicii digitale specifice). Prin intermediul terminalului de reŃea se realizează conectarea dispozitivelor clientului la centrala telefonică digitală (PSTN - Public Switched Telephone Network sau PABX - Private Automated Branch eXchange).

Accesul ISDN de bază este accesibil prin interfeŃe specializate, BRI – Basic Rate Interface.

(b) Accesul primar reprezintă o procedură de multiplexare prin care un grup de utilizatori de nivel ISDN de bază partajează facilităŃile oferite de o linie comună. Accesul primar este proiectat pentru a conecta direct o unitate PABX (Private Automated Branch Exchange) sau un dispozitiv de reŃea de viteză ridicată la o reŃea ISDN. Aceasta metodă de acces elimină necesitatea de a se asigura linii individuale de acces de bază deoarece un grup de dispozitive partajează în acest mod o singură linie de viteză ridicată prin intermediul unui terminal specializat de multiplexare.

În America de Nord şi Japonia accesul primar constă dintr-un grup de 23 de canale B şi un canal D (23B + 1D) care asigură o viteză cumulată de transfer a datelor de 1.544 Mbps. Această viteză de transfer este cunoscută sub numele de linie purtătoare T1 sau flux T1. În cadrul accesului primar, canalul D şi fiecare canal B operează la o viteză de 64 kbps. ÎnmulŃind cele 23+1 canale cu 64 kbps rezultă o viteză de transfer a datelor de 1,536 Mbps. Accesul primar T1 utilizează un bit de încadrare ce marchează un bloc de date. Acest bloc conŃine câte un octet din fiecare canal multiplexat, deci are lungimea de 24 x 8 = 192 de biŃi. Aşadar la fiecare 192 de biŃi transferaŃi se mai adaugă încă unul, rezultând un surplus de bandă de 8 kbps datorat biŃilor de încadrare (delimitare). Adăugând cei 8 kbps la lăŃimea de bandă utilă calculată, rezultă capacitatea de transport a fluxului T1 de 1544 kbps. În mod asemănător se definesc fluxuri ierarhic superioare, începând de la T1/DS1 (1.544 kbps) până la T5/DS5 (400.352 kbps).

În Europa accesul primar este de tip 30B + 1D şi se numeşte linie purtătoare E1 sau flux E1 fiind posibile 30 de canale vocale de 64 kbps. Viteza de transfer a purtătoarei E1 este de 2,048 Mbps, din care 31 x 64 kbps = 1984 kbps rezultă din însumarea capacităŃilor de transport ale canalelor multiplexate iar 64 kbps este banda suplimentară necesară delimitatorilor. Aceştia sunt octeŃi şi marchează secvenŃe cu lungimea de 248 biŃi.

� �

PABX

…

modem fax

F D B1 B2

Cadru ISDN pentru accesul de bază

Figura 3.26 Principiul accesului ISDN de bază

NT Terminal reŃea


109

Pornind de la canalul elementar de 64 kbps (E0) deasupra nivelului primar E1 se definesc fluxuri ierarhic superioare prin multiplicare cu patru: E2 (8.448 kbps), E3 (34.368 kbps), E4 (139.264 kbps), E5 (565.148 kbps).

Accesul ISDN primar este accesibil prin interfeŃe specializate, PRI – Primary Rate Interface.

(c) Accesul hibrid 1A + 1C include un canal pentru telefonie analogică cu lăŃimea

de bandă de 4 kHz şi un canal digital de viteză scăzută, 8/16 kbps.

Standardele de implementare ISDN Standardele de implementare ISDN vizează cele trei niveluri inferioare ale

modelului de referinŃă ISO/OSI. ITU-T defineşte o serie de standarde care acoperă atât modul de bază, cât şi modul primar de interfaŃare la nivel fizic, precum şi nivelul legătură de date pentru canalul D şi procedurile de configurare ale apelului pentru canalul D, proceduri care se desfăşoară la nivelul reŃea al modelului de referinŃă ISO/OSI. În figura 3.27 este prezentată legătura dintre standardele de implementare ISDN şi modelul de referinŃă ISO/OSI. Standardele specifice sunt grupate în două categorii, I şi Q care guvernează implementarea ISDN.

Standardele „I” specifică conexiunea fizică a echipamentelor compatibile ISDN la

circuitele ISDN, iar standardele „Q” specifică modul de transmisie a datelor şi a informaŃiilor de configurare pentru canalul D. Standardul Q.921 defineşte structura cadrului de date pentru transmisia informaŃiilor pe canalul D, precum şi conŃinutul câmpurilor asociate acestuia. Standardul Q.931 reglementează procedurile de control ale apelului utilizate pentru configurarea şi încheierea apelului, structura mesajelor utilizate pentru transportul informaŃiilor aferente procedurilor de apel, precum şi tipurile de mesaje care pot fi transportate la nivelul reŃea.

InterfeŃe ISDN standard

Standardele CCITT definesc un set de interfeŃe de interconectare a echipamentelor ISDN numite puncte de referinŃă: R, S, T şi U. Figura 3.28 ilustrează

Nivel aplicaŃie

Nivel prezentare

Nivel sesiune

Nivel transport

Nivel reŃea

Nivel legătură de date

Nivel fizic

Figura 3.27 Arhitectura ISDN şi echivalenŃa cu modelul ISO / OSI

Niveluri superioare

Q.921 (LAPD) Nivelul legatură de date, canal D

Q.931 Procedurile de configurare ale apelului, canal D

ISO / OSI ISDN

I.430 Viteza de transfer

de bază

I.431 Viteza de transfer

primară


110

relaŃia dintre punctele de referinŃă ISDN şi interfeŃele reŃelei. ConfiguraŃiile de referinŃă ISDN constau din grupuri funcŃionale şi punctele de referinŃă asociate. Grupurile funcŃionale includ seturi de funcŃii necesare la nivelul unei interfeŃe, în timp ce punctele de referinŃă sunt utilizate pentru a partiŃiona grupurile funcŃionale în entităŃi logice distincte.

Grupul funcŃional al echipamentelor terminale (TE) este compus din tipurile de echipamente TE1 şi TE2. Telefoanele digitale, terminalele convenŃionale de date şi staŃiile de lucru integrate pentru voce şi date reprezintă exemple de echipamente TE. Echipamentele de tipul TE1 sunt compatibile cu interfeŃele ISDN utilizator-reŃea şi pot fi conectate direct la o interfaŃă ISDN de tip „S", care suportă canale multiple de tip B şi D.

Adaptorul de terminal (TA) permite echipamentelor care nu dispun de o interfaŃă ISDN să fie conectate la o astfel de structură de comunicaŃie prin intermediul interfeŃei de adaptare tip „R”.

Grupul funcŃional NT2 (terminaŃie de reŃea de tipul 2 - Network Termination 2)

include dispozitivele care asigură funcŃii de comutare şi de concentrare a datelor echivalente primelor trei niveluri ale modelului de referinŃă OSI. Echipamente NT2 tipice sunt: PABX, LAN, controlerele de terminal şi multiplexoarele de date.

Grupul funcŃional NT1 (terminaŃie de reŃea de tipul 1 - Network Termination 1) este punctul de interfaŃă digitală ISDN. Este echivalent nivelului 1 al modelului de referinŃă ISO/OSI. FuncŃiile NT1 vizează modul de terminare electrică şi fizică a buclei (închiderea buclei), monitorizarea liniei, temporizări şi multiplexarea biŃilor. În unele cazuri funcŃiile NT1 şi NT2 pot fi combinate şi realizate de un singur dispozitiv, cum ar fi PABX. În asemenea

NT1 NT2 TE1

TE2 TA

T S

S

U

R

TE1 - (Echipament Terminal de tipul 1) dispozitive compatibile cu interfeŃele de reŃea ISDN TE2 - (Echipament Terminal de tipul 2) dispozitive care nu dispun de interfeŃe ISDN şi trebuie conectate prin intermediul unui grup funcŃional de tip TA (Adaptor de Terminal) NT2 - (TerminaŃie de reŃea de tipul 2) include echipamente de comutare şi de concentrare a datelor care realizează funcŃii echivalente cu cele ale nivelurilor 1, 2 şi 3 ale Modelului de ReferinŃă OSI NT1 - (TerminaŃie de reŃea de tipul 1) include funcŃii echivalente celor ale nivelului 1 al Modelului de ReferinŃă OSI TA - (Adaptor de terminal) permite conectarea echipamentelor care nu au interfaŃă ISDN

Figura 3.28 Grupurile funcŃionale şi interfeŃele ISDN

Linie de transmisie

InterfeŃe


111

situaŃii, echipamentul devine grupul funcŃional NT12. Interconectarea grupurilor funcŃionale NT1 şi NT2 se face prin intermediul interfeŃelor tip „T”.

Accesul la linia de comunicaŃie se realizează prin interfeŃe tip „U”. Aceasta este o conexiune pe două fire (acces de bază) sau o conexiune pe patru fire (acces primar) între locaŃia clientului (NT1) şi centrala companiei de telecomunicaŃii. Transferul datelor se realizează într-un format comprimat de transmisie (2B1Q), în care doi biŃi (2B) sunt codificaŃi prin intermediul unui simbol quadruplu (1Q). Atunci când transmisia se realizează în format 2B1Q, se generează până la patru niveluri de semnal (transmisie multinivel) iar fiecare nivel codifică doi biŃi de date. Prin utilizarea codificării 2B1Q, un acces de bază cu viteza de transfer a datelor de 144 kbps implică o rata de transfer a simbolurilor înjumătăŃită.

Deoarece la nivelul utilizatorului cererea de lăŃime de bandă este variabilă

(videoconferinŃă, număr variabil de convorbiri telefonice, servicii Internet) a fost dezvoltat un echipament de alocare automată a numărului de fluxuri de date necesar, echipament cunoscut sub numele de multiplexor invers sau multiplexor cu bandă de transfer la cerere. Acesta acceptă o intrare de înaltă viteză şi o partiŃionează în mai multe fluxuri de date de ieşire. Atunci când fluxurile de date de ieşire ale multiplexorului sunt conectate la un serviciu ISDN, devine posibilă alocarea unui număr variabil de canale B de exemplu, după necesităŃi sau pe considerente financiar-economice. Un multiplexor invers permite ca o linie corespunzătoare unei interfeŃe ISDN de viteză primară (Primary Rate Interface - PRI) să fie utilizată în întregime pentru transfer de date sau pentru transfer de date şi un număr de legături telefonice.

Având în vedere faptul că transferul ISDN descris se bazează pe canale de 64 kbps el se mai numeşte şi N-ISDN (Norrowband ISDN – ISDN de bandă îngustă). Spre deosebire de acest tip de transfer, ISDN implementează şi o soluŃie de bandă largă, B-ISDN (Broadband ISDN) care foloseşte canale digitale virtuale de 155 Mbps şi pachete de dimensiune fixă, tehnologia de transmisie utilizată fiind ATM (Asynchronous Transfer Mode). 3.3.3 Tehnologii DSL

DSL (Digital Subscriber Line) este o tehnologie de bandă largă care permite transmiterea informaŃiilor prin intermediul liniilor telefonice. Există mai multe tipuri de sisteme de transmisie DSL (sau xDSL) cum ar fi : ADSL, HDSL sau RADSL. Rata de transfer care poate fi atinsă prin intermediul acestei tehnologii ajunge la valori de până la 6,1 Mbps, permiŃând inclusiv transmisiuni video şi audio alături de alte servicii de date. Datorită performanŃelor sale, se preconizează ca tehnologia DSL să înlocuiască ISDN-ul la nivelul reŃelelor metropolitane.

Digital Subscriber Line este o tehnologie care permite transferul de date în format digital, pe liniile telefonice, evitând astfel conversiile A/D şi D/A necesare în cazul utilizării modem-urilor de linie telefonică. Pentru aceasta este necesar ca liniile respective să nu treacă prin dispozitivele analogice specifice liniilor telefonice (repetoare, amplificatoare) putând astfel să se exploateze o lăŃime de bandă de frecvenŃe mai mare decât banda telefonică vocală.

Banda de frecvenŃe disponibilă poate fi partajată pentru semnal analogic (telefonie analogică) şi semnal digital (figura 3.29). Din acest motiv majoritatea tehnologiilor DSL au nevoie de un filtru separator (splitter) de semnal care trebuie instalat la utilizator. În anumite soluŃii de implementare această partajare a


112

semnalului se face la oficiul de conectare iar tehnologia se numeşte Splitterless DSL (DSL fără splitter), DSL lite (sau G.lite) sau ADSL Universal.

DiferiŃi producători de echipamente DSL folosesc modulaŃii diferite. O metodă relativ mult utilizată este multiton discret, DMT (Discrete Multi-Tone), care împarte banda de frecvenŃe în 256 de canale cu lăŃimea de 4,3125 kHz. Pentru modulare/demodulare se utilizează algoritmi FFT, modulaŃia folosită fiind QAM. Este similară cu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). O altă soluŃie utilizată la începuturile DSL-ului se baza pe modulaŃia de amplitudine şi fază fără purtătoare, CAP (Carrier-less Amplitude Phase). Banda era împărŃită în trei sub-benzi: 0 - 4 kHz telefonie, 25 kHz – 160 kHz upstream şi 240 kHz – 1,5 MHz downstream. Se foloseşte de asemenea QAM. Alte modulaŃii utilizate mai rar sunt SLC (Simple Line Code), DWMT (Discrete Wavelet Multi-Tone) sau MVL (Multiple Virtual Line).

DistanŃa maximă pe care poate fi utilizată soluŃia DSL, fără repetor, este de

5,5 km. Cu cât distanŃa faŃă de oficiul de conectare scade cu atât rata de transfer creşte. Rata de transfer este influenŃată şi de dimensiunea conductoarelor de cupru utilizate. DistanŃa poate creşte semnificativ dacă în locul conductoarelor de cupru se utilizează fibra optică. Implementări DSL

Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) foloseşte o soluŃie de transport asimetrică: o parte mai mare din lăŃimea de bandă (canal tip duplex) este folosită pentru downstream (trafic către utilizator) şi o mică parte din bandă este utilizată pentru upstream (trafic dinspre utilizator). ADSL permite până la 6,1 Mbps în mod downstream şi până la 640 kbps pentru upstream. O parte a lăŃimii de bandă poate fi folosită simultan pentru o linie telefonică.

Consumer DSL este o versiune DSL (Rockwell Corporation) mai „lentă” oferind 1Mbps pentru downstream şi ceva mai puŃin pentru upstream. Nu necesită instalarea unui splitter la capătul utilizatorului.

G.lite mai este cunoscut şi ca DSL lite, ADSL fără splitter sau DSL Universal. G.lite este o versiune mai puŃin rapidă de DSL care nu necesită instalarea splitterului, funcŃiile acestuia fiind realizate de la distanŃă, de compania telefonică. G.lite oferă o rată de transfer de la 1,544 Mbps până la 6 Mbps downstream şi de la 128 kbps până la 384 kbps upstream. Este una din tehnologiile DSL cu cea mai mare răspândire.

HDSL - High bit-rate DSL este una din primele forme de DSL şi este utilizată pentru transmisiuni digitale de bandă largă. Tehnologia HDSL este simetrică (împarte

4 25 240 0 160 1500

f [kHz] Voce Up

stream Down

stream

Figura 3.29 Alocarea benzilor DSL

Semnal


113

egal resursele de bandă pentru cele două sensuri). Rata de transfer prin HDSL este de 1,544 Mbps până la 2,048 Mbps.

IDSL sau ISDN-DSL este o tehnologie care se apropie mai mult de performanŃele ISDN, din punct de vedere al ratei de transfer, comparativ cu ADSL. Deşi viteza este redusă permite acoperirea de distanŃe mai mari.

RADSL - Rate-Adaptive DSL (Westell) este o tehnologie care se bazează pe o procedură de determinare a ratei de transfer pe o linie telefonică particulară ajustând această rată conform condiŃiilor oferite de linie. Cu ajutorul acestei tehnologii datele pot fi livrate cu o rată de transfer începând de la 640 kbps până la 2,2 Mbps pentru downstream şi de la 272 kbps până la 1,088 Mbps pentru upstream.

SDSL - Symmetric DSL este similar cu HDSL, oferă sensuri simetrice de 1,544 Mbps ÷ 2,048 Mbps.

UDSL - Unidirectional DSL este o variantă unidirecŃională a HDSL.

VDSL - Very High Data Rate DSL este o tehnologie în dezvoltare care propune rate de transfer mult mai mari, 51-55 Mbps, pe distanŃe relativ mici, de până la 300 m.

3.4 ComunicaŃii VoIP

Telefonia IP, cunoscută sub denumirea de VoIP- Voice over Internet Protocol este un concept care se bazează exclusiv pe fluxuri vocale digitale transportate pe infrastructuri logice de tip IP. VoIP este alternativa digitală la telefonia clasică. Serviciile VoIP presupun nu numai digitizarea şi codificarea semnalului vocal în scopul transmiterii prin reŃelele de date, ci şi asocierea unor servicii similare telefoniei clasice: apelare, numerotare, semnalizări diverse. Odată cu extinderea Internetului a devenit evident faptul ca transportul IP bazat pe comutaŃia de pachete a devenit o soluŃie mai convenabilă decât reŃelele bazate pe comutaŃia de circuite. Dacă iniŃial reŃeaua telefonică oferea o infrastructură pentru comunicaŃii de date, în prezent telefonia (IP) este cea care beneficiază de reŃelele de date acoperind segmente tot mai largi din piaŃa comunicaŃiilor vocale. Modul cum este structurată o reŃea de comunicaŃie telefonică tip VoIP este prezentat în figura 3.30. Pentru interconectarea de dispozitive non-IP la o astfel de infrastructură de transport informaŃional este necesară utilizarea unor interfeŃe dedicate. Pentru conectarea aparatelor telefonice analogice se utilizează interfeŃe FXS - Foreign eXchange Subscriber. Acestea generează curentul de linie, tonul de numerotare şi semnalul de apel către un echipament analogic (telefon, fax, modem) şi foloseşte un port Ethernet pentru conectare către reŃeaua de date. InterfaŃa utilizată către reŃeaua telefonică se numeşte FXO - Foreign eXchange Office Interface. Spre deosebire de FXS, FXO primeşte semnalizările din sistemul telefonic (şi nu generează) realizând operaŃiunile de închidere / deschidere a liniei de abonat (on-hook, off-hook). Aparatele telefonice care includ şi interfaŃa FXS se numesc terminale VoIP sau telefoane VoIP. Un terminal VoIP poate fi emulat, folosind o aplicaŃie software adecvată, cu ajutorul unui echipament de calcul tip PC. În reŃelele VoIP se poate utiliza apelarea directă pe bază de adresă IP sau se poate folosi un sistem de conversie a adreselor IP în numere telefonice de abonat, pe baza unui tabel de alocare, similar conversiei DNS.


114

3.4.1 Protocolul H.323

Unul din standardele fundamentale care a definit serviciile VoIP este protocolul H.323 lansat de ITU-T în mai 1995. El a suferit mai multe modificări de-a lungul timpului. H.323 defineşte o arhitectură distribuită pentru aplicaŃii multimedia. În acest sens H.323 descrie:

- terminale, - dispeceri (sau gatekeepers), - porŃi (sau gateways), - unităŃi de control multipunct. H.323. este un protocol general şi cuprinzător care defineşte toate aspectele

referitoare la transmiterea apelului, de la stabilire până la schimbul de informaŃii cu privire la capabilităŃile şi la disponibilitatea resurselor reŃelei. El este descris în figura 3.31. Se observă că în special nivelul transport şi nivelul aplicaŃie sunt particularizate în acest scop. De asemenea, H.323 defineşte protocolul RAS (Registration, Admission and Status) pentru rutarea apelului, protocoalele H.225 pentru stabilirea apelului şi protocoalele H.245 pentru schimbul informaŃiilor cu privire la capabilităŃi. H.323 se bazează pe protocolul Q.931 pentru semnalizarea ISDN, ceea ce îi permite inter-operarea cu reŃelele tradiŃionale de voce, cum ar fi PSTN cu SS7. Ca şi protocol folosit în cadrul unei arhitecturi distribuite, H.323 permite operatorilor construirea unor reŃele de mari dimensiuni caracterizate prin scalabilitate şi redundanŃă. H.323 asigură şi mecanisme pentru interconectarea cu alte reŃele VoIP, reŃele eventual implementate pe baza altor modele de comunicaŃie, alte stive de protocoale.

Ruter

Figura 3.30 Structura unei reŃele VoIP

R

Internet

ReŃea telefonică

PSTN, ISDN, GSM

Gestiune apel

�

Telefon analogic

InterfaŃă FXS

InterfaŃă FXO

℡℡℡℡ Telefon VoIP

Terminale VoIP

�� Emulare

Telefon VoIP

℡℡℡℡ Telefon non IP

� Terminal

VoIP


115

Arhitectura generică H.323 În figura 3.30 este prezentată stiva de protocoale pentru H.323. Aşa cum s-a

arătat anterior, H.323 specifică şi o serie de elemente de reŃea, reŃea a cărei arhitectură generică tipică este redată în figura 3.32. În cadrul acestei arhitecturi există mai multe tipuri de componente ale reŃelei, după cum s-a precizat mai sus: terminale H.323, dispeceri (gatekeepers), porŃi (gateways), unităŃi de control multipunct (MCU).

• Terminalele H.323 sunt elemente din reŃea care asigură comunicaŃia

bidirecŃională, în timp real între utilizatori. Standardul H.323 specifică faptul că toate terminalele H.323 trebuie să suporte serviciul de voce, serviciile video şi de date fiind opŃionale. Astfel, entitatea de bază a unui terminal H.323 este telefonul IP (IP Phone) sau o aplicaŃie software care îl emulează. Terminalele H.323 trebuie să implementeze protocolul H.245, pentru a controla capabilităŃile şi utilizarea canalului, protocolul Q.931, pentru stabilirea apelului şi semnalizare şi protocolul RAS (Registration, Admission and Status), pentru a asigura comunicaŃia cu dispecerul. Pentru secvenŃierea pachetelor de voce se folosesc protocoalele RTP/RTCP (IETF RFC 1889).

Real-time Transfer Protocol (RTP) transportă fluxurile de date audio şi video,

asigurându-se transmiterea în timp real. RTP transportă datele folosind transport UDP, făcând identificarea tipurilor de date, marcajul de timp, numerotarea secvenŃelor, monitorizarea timpului şi locului livrării, oferind şi servicii de multiplexare şi statistică. Deci, împreună cu UDP, RTP asigură funcŃionalitatea de bază la nivelul

Nivel fizic

Legătură de date

ReŃea IP

Transport RTP RTCP H.225

RAS Q.931

Semnalizare H.245

Control apel

H.235, H.450, X.224, T.124/5

UDP

Sesiune

Prezentare

Audio, video Control

AplicaŃie G.711, G.722, G.723.1,

G.728, G.729 H.261, H.263

Audio Video Date

T.126, T.127

TCP

Figura 3.31 Stiva de protocoale H.323


116

transport. RTP însuşi, nu asigură prin nici un mecanism livrarea la timp sau garanŃia calităŃii serviciilor.

Un pachet RTP poate fi pierdut sau livrat în altă parte în timpul transportului prin reŃea. Oricum, numerele de secvenŃe şi informaŃiile de marcaj ale timpului, prezente în header-ele RTP, permit unei aplicaŃii să determine poziŃia corectă a pachetului primit în fluxul media.

Real-time Control Protocol (RTCP) este partea de gestiune a legăturii RTP

fiind utilizată pentru a monitoriza calitatea serviciilor şi pentru a colecta informaŃii despre participanŃii la trafic. Mesajele RTCP sunt trimise pe un port diferit de portul RTP pentru transferul media. Pe baza mesajelor RTCP, expeditorii fluxurilor media pot schimba parametrii de transfer media pentru a obŃine garanŃii QoS. Totodată, mesajele RTCP sunt utile în sincronizarea a două fluxuri media, de exemplu un flux video şi corespondentul său audio (videotelefonie).

• Dispecerul (gatekeeper) este descris în cadrul recomandării ITU-T H.323 ca şi

o componentă opŃională, dar în practică acesta constituie o unealtă esenŃială pentru definirea şi controlul modului cum comunicaŃiile de voce sunt vehiculate prin reŃeaua IP. Dispecerii sunt responsabili de asigurarea translaŃiei de adresă între entităŃile LAN cu funcŃii VoIP şi adresele IP, de asigurarea serviciilor de control şi de rutare a apelului între punctele terminale H.323, de managementul sistemului şi de politicile de securitate. Serviciile asigurate de dispeceri în cadrul comunicaŃiei între terminalele H.323 sunt definite de protocolul RAS şi se referă la configurarea, monitorizarea şi administrarea activităŃilor terminalelor înregistrate, setarea politicilor şi controlul resurselor reŃelei (cum ar fi utilizarea lărgimii de bandă). Punctele terminale înregistrate pot fi terminale H.323, porŃi sau unităŃi de control multipunct. O zonă H.323 poate fi administrată doar de un singur dispecer, dar această zonă poate

Gateway (Poartă) Gatekeeper

(Dispecer)

Ruter

Terminale H.323

Figura 3.32 Arhitectura generică a unei reŃele H.323

R

Retea IP

Internet

GW

ReŃea telefonică

PSTN, ISDN, GSM

MCU

Unitate de control multipunct

� IP Phone

GK


117

cuprinde mai multe porŃi şi unităŃi de control multipunct. Deoarece o zonă este definită şi administrată de către un singur dispecer, punctele terminale dintr-o zonă ce conŃine de asemenea un dispecer trebuie să asigure mijloacele de dezactivare a acestuia.

• PorŃile (gateways) asigură soluŃia ca sistemele H.320 şi H.323 să poată

interopera (PSTN cu IP). În mod esenŃial, porŃile asigură transferul între reŃelele cu comutaŃie de circuite, bazate pe ISDN şi reŃelele locale (în particular, cele bazate pe IP), permiŃând punctelor terminale din cadrul acestora să comunice între ele. Pentru aceasta, porŃile trebuie să facă translaŃia între formatele de transmisie H.225 şi H.221 şi între protocoalele de control ale comunicaŃiei H.245 şi H.242. Poarta trebuie, de asemenea, să realizeze transcodarea între diversele tipuri de codec-uri audio (şi video, acolo unde acestea există) şi între serviciile reŃelelor locale şi serviciile reŃelei ISDN.

• Unitatea de Control Multipunct (MCU) permite ca trei sau mai mulŃi utilizatori

să între în conferinŃă, fapt pentru care cele mai multe sisteme H.323 cer existenŃa unui server de conferinŃă multipunct (MCS), acest server fiind de fapt unitatea de control multipunct. FuncŃiile de bază ale MCU pentru H.323 sunt acelea de a menŃine toate fluxurile audio, video şi de date între toŃi participanŃii la o conferinŃă.

Sub umbrela H.323. operează şi recomandarea T.120 referitoare la partajarea

în timp real a unor aplicaŃii specifice între câŃiva clienŃi din reŃele diferite. T.120 suportă livrarea de date multipunct, care activează colaborarea în grup. MCU-ul gestionează mixarea şi comutarea datelor într-o manieră similară cu cea folosită pentru audio şi video. T.120 operează în vârful nivelului de transport al reŃelelor, deci este transparent şi independent faŃă de soft-ul şi echipamentele de reŃea. T.120 este menŃionat în toate standardele pentru teleconferinŃe, H.32X. Această referire, cât şi independenŃa de reŃea şi platformă asigură un grad mare de interoperabilitate la nivel de aplicaŃie. T.120 asigură transmisia multicast a datelor în reŃele tip multicast. T.120 are capacitatea de a corecta erorile, asigurând integritatea datelor transmise. În general, T.120 are o arhitectură scalabilă şi extensibilă cu rezerve pentru adăugarea de noi aplicaŃii.

Serviciile suplimentare în H.323 sunt specificate prin seria de recomandări ITU-T H.450. Astfel, în această serie de recomandări, arhitectura de servicii este descentralizată. EntităŃile pereche (servere, clienŃi, MCU-uri, porŃi) comunică direct, folosind semnalizarea H.450, fără a implica un control centralizat al reŃelei. Pentru acele caracteristici care presupun un control centralizat se foloseşte un server, care are caracteristicile unui punct terminal H.323/H.450. Exemple de astfel de servere sunt: serverele de mesagerie, serverele pentru distribuŃia automată a apelurilor, serverele sau grupurile de servere caracteristice grupului. Una din cerinŃele cele mai importante pe care le-a rezolvat H.450 a constat în simplificarea caracteristicilor de conlucrare cu reŃelele comutate private (QSIG) şi cu reŃeaua publică ISDN. Mai mult, H.450 a fost proiectat ca şi un protocol cu un înalt grad de extensibilitate, care dispune de mai multe mecanisme pentru asigurarea interoperabilităŃii şi uşurarea implementării noilor caracteristici. Seria de recomandări ITU-T H.450.x specifică un set de servicii şi de funcŃiuni suplimentare pentru multimedia, după cum urmează: protocol generic funcŃional pentru susŃinerea serviciilor suplimentare în H.323,


118

transferul apelului, redirecŃionarea apelului, menŃinerea apelului, parcarea apelului, apel în aşteptare, indicaŃie de mesaj în aşteptare.

H.450.1 se ocupă de procedurile şi protocolul de semnalizare între entităŃile H.323 pentru controlul serviciilor suplimentare. Acest protocol de semnalizare este acelaşi la toate serviciile suplimentare ale H.323. Protocolul este derivat din protocolul funcŃional generic specificat în ISO/IEC 11582 pentru Private Integrated Services Networks (PISN).

H.450.2 este un protocol de transfer al apelului şi descrie procedurile şi protocolul de semnalizare pentru transferul apelului, serviciu suplimentar pentru H.323. Acest serviciu suplimentar permite utilizatorului A să transforme un apel existent (de la utilizatorul A la utilizatorul B) într-un nou apel între utilizatorul B şi un al treilea utilizator C, selectat de A. Protocolul se bazează pe H.451.1 şi nu are header pentru că toate mesajele sunt tip text, în format ASN.1.

H.450.3 este un protocol de deviere a apelului şi descrie procedurile şi protocolul de semnalizare pentru serviciul suplimentar de deviere a apelului în reŃele H.323. Acestea includ serviciile: Call Forwarding Unconditional (SS-CFU), Call Forwarding Busy (SS-CFB), Call Forwarding No Reply (SS-CFNR) şi Call Deflection (SS-CD). Toate acestea sunt servicii suplimentare, care se activează în timpul stabilirii unui apel, asigurând o deviere a apelului la alt punct terminal. Se bazează pe H.450.1 şi, ca şi H.450.2, nu are header pentru că mesajele sunt de asemenea în mod text (în format ASN.1).

Semnalizarea de apel H.225 este folosită pentru a iniŃia conexiunile între

terminalele H.323, între care se vor transmite date în timp real. Semnalizarea de apel implică schimbul de mesaje ale protocolului H.225 printr-un canal sigur, dedicat semnalizării de apel.

De exemplu, schimbul de mesaje ale protocolului H.225, transportate prin TCP într-o reŃea IP H.323, între terminale, va avea loc doar în cazul lipsei unui Gatekeeper din reŃea. În cazul prezenŃei unuia, mesajele H.225 sunt comunicate fiecare direct între terminale sau între terminale, dar după înregistrarea într-un gatekeeper. Primul caz reprezintă semnalizarea de apel direct iar al doilea semnalizarea de apel direcŃionat prin gatekeeper. Metoda este aleasă de gatekeeper în funcŃie de schimbul de mesaje de semnalizare de acces RAS. În cazul semnalizării de apel direct, în timpul confirmării accesului, gatekeeper-ul indică faptul că terminalele pot face schimb de mesaje de semnalizare de apel direct. Schimbul de mesaje se face prin canalul de semnalizare de apel.

Securitatea transferurilor este cuprinsă în recomandarea H.235 şi defineşte

mai multe aspecte. Autentificarea este un mecanism de asigurare a faptului că terminalele participante la conferinŃă sunt în realitate cele care corespund identificatorului folosit. Integritatea înseamnă confirmarea lipsei diferenŃelor în reprezentarea datelor transmise / recepŃionate. ConfidenŃialitatea este asigurată de mecanismele de criptare şi decriptare. Repudierea este o protecŃie împotriva cuiva care îşi neagă identitatea.

Pentru a implementa aceste servicii de securitate, H.235 poate folosi standardele existente, cum sunt IP Security (IPSec) şi Transport Layer Security (TLS).

Standardul H.245 reglementează transferul de informaŃii legate de

capabilitatea legăturii, capacităŃi de transmisie / recepŃie pentru terminale, controlul


119

închiderii şi deschiderii canalelor. Defineşte şi mesaje de atenŃionare a terminalelor legate de problemele de comunicaŃie sau mesaje folosite chiar în timpul apelului, cum ar fi anunŃarea terminalului receptor despre eventuala schimbare de CODEC folosit de transmiŃător. Mesajele de control H.245 pot fi direcŃionate printr-un gatekeeper. 3.4.2 Protocolul SIP

Protocolul de IniŃializare al Sesiunii (Session Initiation Protocol, SIP) a fost

proiectat pentru a asigura funcŃii de control avansat a comunicaŃiilor vocale. La dezvoltarea protocolului s-a Ńinut cont de faptul că acesta va trebui să ruleze eficient pentru o gamă diversă de servicii multimedia. Cu ajutorul SIP se pot localiza într-o manieră scalabilă resursele dintr-o reŃea şi, indiferent de localizarea fizică a acestora, se pot iniŃia şi negocia caracteristicile sesiunii de comunicaŃie. Câteva dintre domeniile care suportă acest protocol sunt aplicaŃiile de telefonie IP şi videoconferinŃă IP.

SIP este un protocol de control care oferă servicii similare cu cele oferite de protocoalele de control existente în cazul aplicaŃiilor de telefonie clasică, însă implementează aceste funcŃii într-un context strâns legat de Internet. În plus SIP creşte cu mult funcŃionalitatea oferită de predecesorii săi. O deosebire importantă între SIP şi alte protocoale de control anterioare este aceea că SIP nu necesită alocarea de resurse din cele ale reŃelei şi nici nu stabileşte circuite virtuale sau reale pe infrastructura de reŃea. Session Initiation Protocol face parte din arhitectura promovată de Internet Engineering Task Force (www.ietf.org), care mai cuprinde Real-Time Transport Protocol (RTP) - protocolul de transport pentru date audio / video, Real-Time Streaming Protocol (RTSP) - pentru controlul fluxurilor multimedia la cerere, Session Describing Protocol (SDP) - pentru descrierea sesiunilor multimedia, Session Announcement Protocol (SAP) - pentru anunŃarea sesiunilor de comunicare de la un singur emiŃător la mai mulŃi receptori, Telephony Routing over IP (TRIP) - pentru localizarea celei mai bune căi de transmisie între locaŃia Internet şi reŃeaua de telefonie publică.

În principal SIP este destinat pentru asigurarea sesiunilor de comunicaŃie între utilizatori adresaŃi prin identificatori de tip e-mail sau număr de telefon. Orice echipament care are asignat un nume de gazdă într-o reŃea poate lua parte la o sesiune SIP.

Procesul de creare a unei legături SIP începe cu descoperirea unui utilizator indiferent de localizarea acestuia în reŃea. O caracteristică foarte importantă este dată de faptul că utilizatorul va menŃine acelaşi identificator, chiar dacă se va schimba locaŃia fizică sau dispozitivul cu care acesta se conectează la reŃea. Atribuirea acestui identificator unui utilizator va fi realizată de către furnizorul serviciului de conectare în reŃea sau compania telefonică. În plus, identitatea unui singur utilizator poate fi reprezentată simultan de un anumit număr de terminale conectate la reŃea. În funcŃie de elementele logice prezente în reŃeaua SIP, se pot trimite cereri de realizare a comunicaŃiei către oricare dintre terminalele care recunosc acelaşi identificator (unul, mai multe sau toate). IniŃierea sesiunii depinde şi de abilitatea părŃii apelate de a decide în ceea ce priveşte participarea sau nu la comunicaŃia care ar urma să aibă loc. Ca urmare, un mesaj SIP include informaŃii despre apelant, motivul pentru care se doreşte a se realiza comunicarea, cât de


120

urgentă este realizarea legăturii şi informaŃii despre parametrii sesiunii de comunicaŃie. Arhitectura de bază SIP

Arhitectura SIP (figura 3.33) se bazează pe entităŃi hardware sau software tipice. În cazul unei sesiuni SIP există patru entităŃi care pot participa la comunicaŃie:

• AgenŃi SIP: sunt cei care iniŃiază o cerere de comunicaŃie şi reprezintă de

obicei şi destinaŃia finală a acestei cereri; agenŃii SIP pot fi telefoanele IP sau aplicaŃiile software de telefonie şi video conferinŃă;

• Registratori: sunt servere de înregistrare care monitorizează utilizatorii în

interiorul domeniului de reŃea asignat acestora. De exemplu toŃi utilizatorii care au un identificator de tipul: [email protected] sunt urmăriŃi de registratorul care are gestionează domeniul yahoo.com;

• Servere proxy SIP: sunt rutere care lucrează pe ultimul nivel OSI (nivelul

aplicaŃie) având ca sarcină direcŃionarea spre destinaŃie a cererilor şi răspunsurilor SIP;

• Servere de redirectare: recepŃionează cererile şi le redirectează spre un agent

sau un nou server până când mesajul ajunge la destinaŃia finală.

Serverele proxy SIP, de redirectare şi registratorii pot rula în cadrul unei singure aplicaŃii software.

În cazul unei sesiuni SIP tipice, mesajele trimise de un agent trec prin unul sau mai multe servere proxy, după care ajung la unul sau mai mulŃi agenŃi SIP. Cu toate acestea, nu este exclusă nici realizarea unei comunicaŃii directe (fără intermediari) între agenŃii SIP.

Server proxy

Ruter

Terminale SIP (AgenŃi SIP)

Figura 3.33 Arhitectura generică a unei reŃele SIP

R

ReŃea IP

Internet

SR Server de redirectare

� IP Phone

Proxy

SI

Server de înregistrare

SL

Server de localizare


121

Controlul transmisiei SIP

După cum s-a arătat anterior, principalul rol al protocolului SIP este acela de a permite realizarea unei sesiuni de comunicaŃie între două sau mai multe echipamente conectate la Internet. Aceste legături pot fi apoi folosite în scopul schimbului de informaŃii. Schimbul de date care are loc între echipamente nu trebuie să aibă loc neapărat prin intermediul unei reŃele IP (Internet); se poate folosi SIP-ul şi pentru a realiza o conexiune directă între două telefoane SIP.

Cererea de rutare este determinată în principal de adresa URI (Uniform Resource Identifier) conŃinută în cerere. URI-ul în cazul SIP-ului conŃine o informaŃie similară cu cea care se găseşte în adresele e-mail şi precizează numele utilizatorului, numele gazdei iniŃiatoare şi un anumit număr de parametri. Este posibil ca cei care posedă o adresa de e-mail să poată utiliza aceasta adresă ca şi adresa SIP, nefiind nevoie de specificarea altui identificator.

Pentru a trimite cererea mai departe fiecare server proxy sau server de redirectare verifică URI-ul existent în mesajul recepŃionat, precum şi orice informaŃii adiŃionale din antet, folositoare în acest scop. Agentul SIP poate decide trimiterea tuturor cererilor către un server proxy local, care va trimite mesajele mai departe în funcŃie de URI-ul conŃinut în acestea. Numele de gazdă al unui URI nu identifică în mod direct un echipament anume, ci se adresează unei înregistrări din Domain Name Service (DNS) care va returna o listă cu una sau mai multe adrese ale destinatarului. La aceste adrese se vor trimite mesajele în ordinea priorităŃii lor.

Cererile şi răspunsurile formează o tranzacŃie. De fapt o tranzacŃie conŃine o cerere urmată de răspunsuri care indică progresul apelului şi de un răspuns final care oferă informaŃii referitoare la succesul sau insuccesul cererii formulate. Răspunsurile SIP sunt autorutate, în sensul că la întoarcere vor tranzita serverele pe la care au trecut din momentul în care a fost emisă cererea. Fiecare server adaugă antetului mesajului informaŃii legate de adresa şi numărul de port al acestuia. Aceste informaŃii vor fi apoi folosite în sens invers pentru ca mesajul să ajungă înapoi la emitent.

Sunt multe funcŃii pe care protocolul SIP nu le poate îndeplini în mod explicit.

Una dintre acestea este controlul protocolului de conferinŃă. ParticularităŃile care Ńin de comunicaŃia din interiorul unei sesiuni nu aparŃin de competenŃa SIP. Aceste particularităŃi includ caracteristici legate de transportul datelor prin mediul de comunicaŃie, realizarea proceselor şi procedeelor de votare pe web sau un răspuns cu privire la calitatea sesiunii de comunicaŃie. SIP nu este un protocol de rezervare a resurselor pentru sesiuni de comunicaŃie iar calea pe care circulă mesajele SIP este independentă de cea pe care circulă pachetele de date asociate sesiunii. SIP nu este un protocol de transport. El nu a fost conceput în ideea de a trimite cantităŃi mari de date care nu au nici o legătură cu operaŃiile SIP şi nici pentru a înlocui protocolul Hyper Text Transfer Protocol (HTTP).

3.4.3 Protocolul SGCP Protocolul SGCP (Simple Gateway Control Protocol, protocol simplu de

control gateway), apărut în 1998, a fost rezultatul efortului unor companii de a extinde capabilităŃile gateway-urilor VoIP. Modelul de gateway exemplificat de arhitectura H.323 era prea simplu pentru a putea face faŃă semnalizărilor SS7


122

(Signaling System No. 7). Costurile de transmisie au impus un model descentralizat, în care gateway-urile periferice, din afara zonei de control a unui controler central, devin puncte terminale pentru trunchiul principal de circuite. În 1998, IETF (Internet Engineering Task Force) a definit trei componente funcŃionale: gateway (poartă) de semnalizare SG (Signaling Gateway), MG (Media Gateway, poartă media) şi MGC (Media Gateway Controller, controler de poartă media).

În timpul dezvoltării protocolului SGCP, s-a conturat o nouă aplicaŃie:

implementarea unor gateway de tip rezidenŃial (residential gateways) pentru a deservi modem-urile de cablu. AplicaŃia a introdus elemente care au complicat arhitectura protocoalelor MGC datorită prezenŃei semnalizării în bandă (şi nu în afara benzii de transport). SGCP are însă abilitatea să gestioneze cerinŃele semnalizării în bandă pentru liniile telefonice prin supervizarea liniei, colectarea numerelor şi semnalizarea corespunzătoare.

3.4.4 Protocolul MGCP Protocolul MGCP (Media Gateway Control Protocol, protocolul pentru

controlul porŃilor media), specificat în documentul IETF RFC 2705, este proiectat pentru o arhitectură centralizată de reŃea, adică pentru o arhitectură în care controlul apelului şi serviciile sunt gestionate într-un punct central al reŃelei. În acest sens, o arhitectură care foloseşte acest protocol pentru semnalizare şi controlul apelului se apropie foarte mult de filozofia serviciilor existente în reŃelele PSTN.

Nivel fizic

Legătura de date

ReŃea IP

Transport

RTP

MGCP / SIP

UDP

Sesiune

Prezentare

AplicaŃie G.723, G.729a, DTMF H.261, H.263

Audio Video Date

T.120

TCP

Fig. 3.34 Stiva de protocoale MGCP

T.38

Fax


123

MGCP defineşte cele mai multe aspecte ale semnalizării folosind un model numit „pachete de semnalizare”. Aceste pachete includ funcŃii similare cu cele utilizate în semnalizarea PSTN şi definesc caracteristici precum transferul şi menŃinerea legăturii. Împreună cu MGCP se poate folosi protocolul SDP (Session Description Protocol) pentru transportul informaŃiei referitoare la capabilităŃi. În cadrul unei arhitecturi centralizate, MGCP permite operatorilor să construiască reŃele de dimensiuni mari, scalabile şi redundante. El asigură şi mecanisme pentru interconectarea cu alte reŃele VoIP şi pentru adăugarea de funcŃii suplimentare la nivel de utilizator. MGCP oferă un suport limitat pentru alte reŃele decât PSTN, este mai puŃin flexibil ca H.248 / Megaco şi oferă un potenŃial mai redus de interoperabilitate între echipamentele provenite de la diverşi furnizori, faŃă de alte protocoale (H.248 / Megaco, în particular). MGCP este un protocol ce operează între un gateway media şi un controler de gateway media, permiŃând controlerului de gateway media să controleze gateway-ul. MGCP este proiectat ca un protocol intern în cadrul unui sistem distribuit şi apare în afara sistemului ca o singură poartă VoIP (monolitic). Trebuie notat faptul că poarta media şi controlerul porŃii media formează în cadrul arhitecturii o structura numita softswitch (comutator software).

În figura 3.34 este prezentată stiva de protocoale pentru MGCP. Aşa cum se

observă, pachetizarea semnalelor audio şi video se face tot prin intermediul unor codec-uri ITU-T (seria G.7xx şi H.26x).

În cadrul MGCP se specifică şi o serie de elemente de reŃea, reŃea a cărei arhitectură generică tipică este ilustrată în figura 3.35.

MGCP este un protocol master-slave, ce coordonează acŃiunile porŃilor

media. Controlerul porŃilor media din MGCP este numit agent de apel. Agentul de apel administrează semnalizarea de apel, în timp ce porŃile media informează agentul de apel asupra evenimentelor ce au apărut în legătură cu un anumit serviciu. AgenŃii de apel instruiesc porŃile media să creeze şi să închidă conexiunile în procesul de stabilire şi terminare a apelurilor. În cele mai obişnuite cazuri, agentul de apel informează porŃile media să iniŃieze o sesiune RTP între cele două puncte aflate

Controler Gateway

Media

Poartă / Gateway media

Poartă / Gateway de trunchi

Ruter

Fig. 3.35 Arhitectura generică a unei reŃele MGCP

R

ReŃea IP

Internet

GW-t

ReŃea telefonică PSTN, ISDN,

GSM

MGC

� Telefoane IP

GW-m GW-m

� � � Telefoane IP

MGCP

MGCP


124

în comunicaŃie. Semnalizarea realizată de către agentul de apel şi de către porŃile media are loc sub forma unor mesaje în cadrul pachetelor UDP. Atât agentul de apel, cât şi porŃile media dispun de capabilităŃi de retransmisie pentru aceste mesaje. Dacă este pierdut un mesaj, componentele VoIP elimină mesajul după expirarea timpului de viaŃă al acestuia. În cadrul acestui protocol este importantă tratarea mesajelor MGCP cu o mai mare prioritate faŃă de situaŃia transmisiilor care nu sunt de timp real, în aşa fel încât pierderea de pachete să nu afecteze serviciul şi să nu ducă la întreruperi în fluxul vocal. 3.4.5 Protocolul Megaco

Actualele arhitecturi propuse pentru reŃelele voice-over-IP încearcă să separe fizic controlul apelului de controlul purtătoarei vocale. Protocolul MGCP (Media Gateway Control Protocol) s-a dovedit a fi destul de limitat pentru rezolvarea acestei probleme, fiind necesară definirea unor noi abordări. Astfel, IETF Megaco Working Group împreună cu ITU-T Study Group 16 au standardizat protocolul Megaco / H.248 (Media Gateway Control) care extinde controlul porŃilor şi la mediu prin implementarea unui model de conexiune independent de transportul datelor şi care furnizează suportul necesar pentru servicii avansate de tip conferinŃe multimedia.

Noile elementele de reŃea au apărut în punctele de intersecŃie dintre diferite reŃele de transport, demonstrând capacitatea de a putea utiliza în acelaşi timp atât noile protocoale de semnalizare, cât şi cele tradiŃionale şi, în plus, realizând compresii şi decompresii ale fluxurilor de date la nivelul mediilor de transmisie. Aceste noi elemente (Voice over Frame Relay - VoFR, Voice over IP - VoIP, Voice over ATM - VoATM ) sunt similare ca funcŃionalitate comutatoarelor telefonice din reŃelele clasice cu comutare de circuite. Ele descompun porŃile într-o parte centrală de control şi în entităŃi periferice care constituie de fapt puncte terminale pentru trafic. Dezvoltarea pe scară largă a arhitecturilor VoIP a impus elaborarea unui standard global pentru protocolul care conectează echipamentul ce gestionează traficul către mediu (Media Gateway - MG) cu echipamentul ce controlează o poartă MG, MGC (Media Gateway Controller - MGC).

PorŃile de acces la mediu pot fi localizate în orice punct al căii de apel, nefiind implementate doar pentru funcŃii VoIP. Protocolul Megaco / H.248 a fost creat să trateze diferite combinaŃii de medii de transmisie în cadrul unor topologii de conexiuni şi al unor modalităŃi de transport arbitrare. Conceptul care stă la baza MG-urilor include echipamente auxiliare (procesoare de semnal, sisteme voice-mail) şi aplicaŃii de conversie digital-digital, transcoding, de genul celor întâlnite în operaŃiile NAS (Network Access Server). 3.4.6 CODEC-uri VoIP

Un CODEC audio codifică semnalul audio, provenit de la microfonul terminalului transmiŃător şi îl decodifica la recepŃie. Toate terminalele trebuie să suporte cel puŃin un CODEC audio, după cum este specificat în recomandarea G.711 a ITU (codarea de bază , PCM, la 64kbps). AdiŃional, mai sunt recomandate CODEC-urile audio: G.722 (64, 56, şi 48 kbps), G.723.1 (5.3 şi 6.3 kbps), G.728 (16 kbps), şi G.729 (8 kbps). LăŃimile de bandă asociate diverselor codec-uri sunt prezentate în tabelul 3.36.


125

Codec Bit Rate LăŃime de bandă (Ethernet) G.711 G.729 G.723

G.723.1 G.726 G.728 G.729

64 kbps 8 kbps

6.4 kbps 5.3 kbps 32 kbps 24 kbps 16 kbps

87.2 kbps 31.2 kbps 21.9 kbps 20.8 kbps 55.2 kbps 47.2 kbps 31.5 kbps

ComunicaŃiile video folosesc de obicei o lăŃime de bandă mare. Deci, pentru

creşterea performanŃelor lor sunt necesare tehnici de compresie şi decompresie eficiente. Standardul H.323 specifică în acest scop două CODEC-uri Video: H.261 şi H.263. ClienŃii H.323 nu sunt limitaŃi doar la utilizarea acestor CODEC-uri. Utilizarea altor CODEC-uri se va face cu acordul terminalelor implicate. Suportul video în terminalele H.323 şi MCU-uri este opŃional. CODEC-ul H.261 facilitează transmiterea datelor video prin canale cu lăŃimea de bandă egală cu multiplii de la 1 la 30, pentru 64 kbps. Transformata cosinus discretă (DCT) este utilizată pentru compresie împreună cu cuantizarea şi compresia mişcărilor.

H.261 suportă două formate video, CIF (Common Intermediate Format) - formatul comun de intermediere cu rezoluŃia de 352 x 288 pixeli şi Quarter CIF - un sfert CIF, care are rezoluŃia de 176 x 144 pixeli. Suportarea formatului CIF este opŃională. CODEC-ul H.263 este proiectat pentru rate mici de transfer, fără pierderi. Acesta foloseşte pentru compresie tot codificarea DCT cu cuantizare, dar este folosit şi împreună cu algoritmi de estimare şi predicŃie a mişcărilor. Formatele video suportate de H.263 sunt: sub-QCIF (128 x 96), QCIF (176 x 144), CIF (352 x 244), 4CIF (702 x 576) şi 16CIF (1408 x 1152). Ultimele două formate sunt opŃionale. Formatul QCIF al H.263 este compatibil cu H.261. 3.5 Sisteme de comunicaŃie radio celulare

Primele comunicaŃii telefonice mobile au fost create pentru automobile şi au fost puse în funcŃiune în 1946, în St. Louis. Acest sistem folosea un singur emiŃător şi avea un singur canal radio, folosit atât pentru emisie, cât şi pentru recepŃie, alternativ. În 1960 a fost instalat IMTS (Improved Mobile Telephone System) care foloseşte un emiŃător de mare putere (200 watt) şi două frecvenŃe de comunicaŃie: una pentru emisie şi alta pentru recepŃie. Sistemul suportă 23 de canale echidistante între 150 MHz şi 450 MHz. În 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System) a fost lansat în SUA de către Bell Laboratories. În cadrul acestui sistem, o regiune geografică este împărŃită în celule, de obicei de 10 până la 20 km diametru, fiecare folosind o anumită gamă de frecvenŃe. Dacă două astfel de celule se află la o distanŃă suficient de mare una de cealaltă, astfel încât o antenă receptoare dintr-o celulă nu poate detecta semnalul transmis de cealaltă, atunci ambelor celule li se poate aloca aceeaşi gamă de frecvenŃe. Această tehnică, folosită pentru conservarea spectrului de frecvenŃe, se numeşte refolosirea frecvenŃelor şi este principiul care stă la baza comunicaŃiilor celulare.

Tabelul 3.36 LăŃimea de bandă asociată diverselor codec-uri VoIP uzuale


126

Principala problemă care apare în cazul transmisiilor în domeniul microundelor constă în interferenŃa radio care poate apare în cazul utilizării aceloraşi frecvenŃe sau a unor frecvenŃe apropiate în aceleaşi arii (aglomerări urbane, zone industriale), ceea ce impune un control riguros şi o disciplină strictă pentru utilizatori. SoluŃia se bazează pe utilizarea unor canale de comunicaŃie distincte pentru celule adiacente astfel încât acestea să nu interfereze. Mai mult, dacă un client radio se deplasează din zona de acoperire a unei celule în zona de acoperire a alteia el poate fi preluat automat pe alt canal. Deoarece celulele sunt gestionate de un sistem central de control, transferul unei legături dintr-o celulă în alta se poate face fără întreruperea sesizabilă a comunicaŃiei (figura 3.37).

În centrul fiecărei celule se află o staŃie de bază (radio-releu). Aceasta cuprinde un echipament de gestiune a convorbirilor şi un emiŃător / receptor radio. Într-un sistem simplificat, toate staŃiile de bază pot fi considerate ca fiind conectate la un singur dispozitiv, numit MTSO - Mobile Telephone Switching Office. În orice moment, orice telefon mobil se află, în mod logic, într-o anumită celulă şi sub controlul staŃiei de bază a celulei respective. Când un telefon mobil părăseşte o celulă, staŃia sa de bază sesizează o scădere a semnalului dinspre telefon şi interoghează toate staŃiile de bază înconjurătoare cât de puternic este semnalul pe care îl recepŃionează de la respectivul telefon. StaŃia de bază transferă apoi controlul asupra telefonului către celula care recepŃionează cel mai puternic semnal, aceasta fiind şi celula în care se află în acel moment telefonul. Dacă un apel este în derulare, el va fi comutat automat pe un canal nou, acest proces generând un timp mort de 300 ms. Atribuirea canalului se face de către MTSO.

În cazul comunicaŃiilor analogice eficienŃa sistemelor celulare este limitată de

faptul că fiecărui client trebuie să i se aloce un canal distinct ceea ce limitează drastic numărul de utilizatori simultani dintr-o celulă. Tehnicile de transmisiune digitală au permis utilizarea unui canal de către mai mulŃi utilizatori prin tehnici de multiplexare. Sistemul AMPS este unul din primele sisteme comerciale de telefonie mobilă analogică în banda de 800 MHz. El utilizează 832 de canale full-duplex, fiecare constând dintr-o pereche de canale simplex. Există astfel 416 canale simplex pentru

Sistem centralizat de gestiune

Client mobil

Radio releu

Fig. 3.37 Principiul telefoniei celulare

Client mobil


127

transmisie, de la 824 la 849 MHz şi 416 canale simplex pentru recepŃie, de la 869 la 894 MHz. Fiecare din aceste canale simplex are o lăŃime de 30 kHz. Cele 832 de canale se împart în 4 categorii:

• control (baza către mobil) pentru gestionarea sistemului; • paging (baza către mobil) pentru a anunŃa utilizatorii că sunt apelaŃi; • acces (bidirecŃional) pentru stabilirea apelului şi alocarea canalului; • date (bidirecŃional) pentru voce, fax sau date.

Pentru control sunt rezervate 21 de canale, fixate în fiecare telefon într-o

memorie PROM. Deoarece nu pot fi folosite aceleaşi frecvenŃe în celule învecinate, numărul real de canale vocale disponibile pe celulă este mult mai mic decât 832, de obicei 45. Fiecare telefon mobil din AMPS are un număr de identificare pe 32 de biŃi şi un număr de apelare telefonică de 10 cifre în PROM-ul propriu. Atunci când este activat, acesta scanează o listă preprogramată cu 21 de canale de control, pentru a descoperi canalul cel mai puternic ca şi putere emisă în zona respectivă. De pe canalele de control se determină numerele canalelor de paging şi acces. Telefonul transmite apoi propriul număr de identificare şi de apelare. Ca orice altă informaŃie de control din AMPS, acest pachet este trimis în formă digitală, de mai multe ori şi cu un cod corector de erori, deşi canalele vocale sunt analogice. Atunci când staŃia de bază primeşte informaŃia, va informa MTSO, care înregistrează existenŃa noului său client. În timpul unei funcŃionări normale, telefonul mobil se reînregistrează aproximativ odată la fiecare 15 minute. În telefonia celulară digitală comunicaŃia este în totalitate binară, inclusiv la nivelul fluxurilor vocale. Un prim sistem digital, compatibil cu cele anterioare, având schema AMPS de alocare a frecvenŃelor este specificat în standardele cunoscute sub denumirile IS-54 şi IS-135. Un al doilea sistem se bazează pe utilizarea spectrului împrăştiat şi este specificat în standardul IS-95. IS-54 este dual (analogic şi digital) şi foloseşte aceleaşi canale de 30 kHz pe care le utilizează şi AMPS. Pe fiecare canal sunt trimişi 48,6 kbps, partajaŃi între 3 utilizatori simultan. Fiecare primeşte 13 kbps, restul reprezentând supraîncărcarea datorată datelor de control şi sincronizării. Atât celulele, cât şi staŃia de bază şi MTSO funcŃionează identic ca în AMPS. Diferă numai semnalizarea digitală şi codificarea digitală a vocii. 3.5.1 Sistemul GSM În Europa a fost dezvoltat un sistem digital comun, denumit GSM (Global System for Mobile Communication). În Europa sunt folosite două benzi de frecvenŃe, 900 MHz şi 1800 MHz, iar spectrul disponibil este împărŃit în benzi de 50 – 200 kHz. În interiorul fiecărei benzi se foloseşte TDM pentru a multiplexa mai mulŃi utilizatori. OrganizaŃia care se ocupă cu alocarea internaŃională a spectrului radio, ITU (International Telecommunication Union), a alocat, pentru reŃelele mobile din Europa, banda 890–915 MHz pentru uplink (staŃiile mobile către staŃia de bază) şi 935–960 MHz pentru downlink (staŃia de bază către staŃiile mobile). Tehnica de transmisie este cu divizarea timpului, TDM (Time Division Multiplexing Acces), crescându-se astfel numărul de potenŃiali utilizatori simultani (până la 8 utilizatori pe aceiaşi frecvenŃă). În telefonia celulară sunt deja în exploatare sistemele GSM - Global


128

System for Mobile Communication. Standardul GSM operează în mai multe benzi de frecvenŃă benzile în funcŃie de alocările regionale:

- GSM 900 - 900 MHz, în Europa, Asia şi Australia; uplink 890–915 MHz / downlink 935–960 MHz

- GSM 1800 (numit şi PCN sau DCS 1800) - 1,8 GHz, utilizat în Europa, Asia şi Australia; uplink 1710–1785 MHz / downlink 1805–1880 MHz

- GSM 850 sau GSM 800 - 850 MHz, utilizat în America de Nord, Canada şi unele Ńări din America latină şi Africa; uplink 824–849 MHz / downlink 869–894 MHz

- GSM 1900 sau PCS 1900 - 1.9 GHz, utilizat de asemenea în America de Nord şi unele Ńări din America latină şi Africa; uplink 1850–1910 MHz / downlink 1930–1990 MHz

- GSM 450 - 450 MHz, folosit în banda de frecvenŃe utilizată de telefonia mobilă analogică, bandă indisponibilă in unele zone; foloseşte perechile de frecvenŃe 450.4–457.6 MHz / 460.4–467.6 MHz sau 478.8–486 MHz / 488.8–496 MHz.

ReŃelele GSM 900 sunt cele mai răspândite şi operează în benzile de

frecvenŃă amintite de 890-915 MHz (uplink) şi 935-960 MHz (downlink) prin intermediul a 124 de canale radio duplex (perechi de frecvenŃe purtătoare) cu ecart de 200 kHz.

Intervalul de frecvenŃă dintre aceste două benzi este de 45 MHz, care este şi lărgimea de bandă dintre frecvenŃa de transmisie şi cea de recepŃie a unui terminal GSM. Tehnica TDMA permite împărŃirea unui canal radio de 200 kHz în 8 sloturi de timp, fiecare dintre acestea constituind un canal de semnal vocal/date separat. Spre deosebire de semnalele analogice obişnuite, transmisia unui semnal, vocal sau date, nu este continuă. Prin utilizarea celor 8 sloturi de timp, fiecare canal transmite semnalul vocal digitizat într-o serie de impulsuri scurte, totalizând o durata de 1/8 dintr-o secundă. Astfel un terminal GSM transmite o optime din timp. ModulaŃia folosită este GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying. Ea constă în comutarea unor frecvenŃe discrete ca în cazul FSK, dar cu indice de modulaŃie minim pentru a asigura continuitatea de fază. Indicele de modulaŃie se defineşte ca fiind

bTFm ⋅⋅= 2 (3.3)

unde F este deviaŃia de frecvenŃă în Hz iar Tb reprezintă intervalul de bit în secunde.

Cele două frecvenŃe discrete sunt asociate stărilor logice “0” şi “1”, semnalele având faze egale la momentul comutaŃiei dacă m=0,5. Termenul “gaussian” se referă la filtrarea pulsurilor rectangulare asociate, în domeniul timp, forma de undă obŃinută devenind astfel mai apropiată de forma sinusoidală. Spectrul astfel obŃinut este comprimat în jurul frecvenŃei centrale a benzii de trecere, determinând o semnificativă reducere a lăŃimii de bandă necesare, fapt ce constituie principalul avantaj al acestei modulaŃii.

Debitul binar disponibil pentru utilizator este de 24,7 kbps în condiŃiile în care un canal permite o lăŃime de bandă de 270,8 kbps, rata de transfer totală alocată unui canal fiind 1/8 din această valoare, adică de 33,8 kbps. Pentru serviciile de transfer de date terminalele GSM standard oferă o interfaŃă ce permite 9,6 kbps.

În funcŃie de necesarul de putere de emisie (distanŃă), terminalele GSM pot comuta 5 clase de putere de transmisie.


129

Deoarece spectrul radio este o resursă limitată, partajată de toŃi utilizatorii, este necesară o metodă care să divizeze lăŃimea de bandă între un număr cât mai mare de utilizatori. GSM foloseşte o combinaŃie între TDMA (Time Division Multiple Access) şi FDMA (Frequency Division Multiple Access). FDMA presupune divizarea lăŃimii de bandă de 25 MHz în 124 de frecvenŃe carrier (frecvenŃe purtătoare), aflate la distanŃa de 200 kHz una faŃă de cealaltă, aşa cum s-a arătat anterior. Una sau mai multe astfel de frecvenŃe carrier sunt asignate fiecărei staŃii de bază. Urmează apoi divizarea lor în timp, după un algoritm TDMA. Unitatea fundamentală de timp în TDMA este denumită perioadă de rafale - burst period şi durează 15 / 26 ms (aproximativ 0,577 ms). Opt astfel de perioade sunt grupate într-un cadru (frame) TDMA (120 / 26 ms sau aproximativ 4,615 ms), ce formează unitatea de bază pentru definirea canalelor logice. Un canal fizic este reprezentat de o singură perioadă în rafale la un cadru TDMA.

Un canal de trafic (Traffic Channel, TCH) este folosit pentru transportul vocii şi al datelor şi este reprezentat de 26 de cadre TDMA. Durata acestora este de 120 ms, de aici pornind calculul unei perioade de rafale (120 divizat cu 26, rezultatul fiind împărŃit la 8). Din cele 26 de cadre, 24 sunt utilizate pentru trafic, 1 pentru SACCH (Slow Associated Control Channel), iar 1 este nefolosit. Pentru ca staŃiile mobile să nu fie nevoite să primească şi să transmită simultan, TCH-urile pentru uplink şi downlink sunt separate în timp de 3 perioade în rafale.

Există patru tipuri diferite de rafale (bursts) folosite pentru transmisie. Rafalele obişnuite sunt folosite pentru transportul datelor şi a majorităŃii semnalelor de control, având lungimea totală de 156,25 biŃi, transmişi în 0,577 ms. Rezultă o rată de transfer de 270,833 kbps. Rafalele de tip F, folosite de către FCCH (Frequency Correction CHannel) şi cele de tip S, utilizate de către SCH (Synchronisation CHannel) au aceeaşi lungime ca şi rafalele obişnuite, diferind doar structura internă. Rafalele de acces sunt mai scurte, fiind folosite doar de către RACH (Random Access CHannel).

Metoda folosită atât de către ISDN, cât şi de către sistemele de telefonie actuale pentru transmiterea vocii prin intermediul liniilor de mare viteză şi a fibrelor optice este PCM (Pulse Coded Modulation). Rata de transfer obŃinută este de 64 kbps, prea mare pentru o legătură radio. Grupul care este responsabil pentru dezvoltarea GSM a adoptat un nou algoritm pentru a fi folosit la digitizarea vocii, denumit RPE – RPC (Regular Pulse Excited – Linear Predictive Coder), cu o buclă Long Term Predictor. Vocea este împărŃită în fragmente a câte 20 ms, fiecare fiind codat pe 260 de biŃi, rezultând o rată de 13 kbps. Această metodă se numeşte codare Full-Rate. Recent, unii operatori GSM 1900 americani au implementat un nou algoritm de codare a vocii, Enhanced Full-Rate, rezultând o îmbunătăŃire a calităŃii la aceeaşi rată de 13 kbps.

După anul 2000, odată cu creşterea explozivă a serviciilor de date inclusiv de tip Internet, s-a pus problema găsirii unor soluŃii de creştere a lăŃimii de bandă disponibile la nivelul staŃiei mobile. Una din tehnologiile care s-a impus în acest domeniu a fost tehnologia 3G. Denumirea sugerează modelul evolutiv al comunicaŃiilor GSM

GeneraŃia 1G, prima generaŃie, este considerată a fi cea reprezentată de tehnologiile celulare analogice.

2G - generaŃia a doua, este telefonia celulară bazată pe comunicaŃia digitală vocală şi transferuri de date de viteză redusă, 9,6 kbps, asociate în principal unor servicii de tipul mesageriei text. ÎmbunătăŃiri aduse sistemului 2G în ceea ce priveşte


130

capacitatea de transmitere a datelor a dus la apariŃia unor generaŃii intermediare, 2,5G si 2,75G. GeneraŃia 2,5G reflectă dezvoltarea 2G prin asimilarea de tehnologii care oferă lăŃime de bandă superioară, respectiv GPRS care permite transmisiuni de date cu viteze între 56 kbps si 114 kbps existând şi anumite opŃiuni de prioritizare a traficului (QoS). Nivelul următor, 2,75G, este reprezentat de apariŃia soluŃiei EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution (numită şi Enhanced GPRS, EGPRS) care permite obŃinerea de viteze superioare la nivelul transmisiunilor de date (de trei ori mai mari decât GPRS) pe baza utilizării codării 8PSK.

GeneraŃia a treia, 3G, are la bază standardul UMTS - Universal Mobile Telecommunications System, care permite viteze de transmitere a datelor de 14,4 Mbps pentru downlink si 5,5 Mbps pentru uplink folosind HSPA - High Speed Packet Access. O versiune HSPA (HSPA+) este asociată cu generaŃia 3,5G şi permite 42 Mbps downlink şi 22 Mbps uplink. O altă implementare 3G este CDMA2000 care permite viteze de 144 kbps.

Se estimează că generaŃia următoare, 4G, va oferi soluŃii de conectare la viteze de 100 Mbps – 1000 Mbps pe baza modelului TCP/IP. Tehnologia WiMax este uneori considerată ca fiind pasul către această nouă generaŃie. 3.5.2 Serviciul WAP

WAP - Wireless Application Protocol este standardul ce permite comunicarea

de date (2G) dintre un telefon mobil şi un server instalat în reŃea. Orice telefon compatibil WAP, ce are încorporat un microbrowser, poate efectua următoarele operaŃii: - emite o cerere în WML (Wireless Markup Language), un limbaj derivat din HTML special pentru a răspunde cerinŃelor impuse de către reŃelele mobile; - această cerere este trimisă unui WAP Gateway care va obŃine informaŃia dorită aflată pe un server din Internet, fie în standardul HTML, fie pregătită pentru terminalele mobile, în WML. Dacă este folosit HTML, un filtru aflat în Gateway va încerca să translateze în WML; - informaŃia pentru care a fost emisă cererea va fi trimisă apoi terminalului mobil, folosind orice algoritm de transport disponibil.

WAP, ca şi alte modele de comunicaŃie, este organizat sub forma unei arhitecturi pe straturi (layers), figura 3.38.

WAE (Wireless Application Environment)

WSP (Wireless Session Protocol)

WTP (Wireless Transaction Protocol)

WTLS (Wireless Transport Layer Security)

WDP (Wireless Datagram Protocol)

Bearer (Data, SMS, USSD)

Figura 3.38 Ierarhizarea WAP


131

� WAE defineşte interfaŃa utilizator implementată în telefonul mobil şi conŃine WML, WMLScript (un microlimbaj similar JavaScript), şi WTA (Wireless Telephony Application). Acestea sunt „uneltele” cu ajutorul cărora sunt dezvoltate aplicaŃii compatibile WAP;

� WSP reprezintă nivelul care face legătura între WAE şi două servicii de tip sesiune (session services): unul orientat pe conexiune (connection oriented) şi care operează deasupra WTP şi unul fără conexiune, operând deasupra WDP;

� WTP funcŃionează deasupra unui serviciu de tip UDP (User Datagram Protocol) şi face parte din standardul TCP/IP; este folosit ca un protocol simplificat, potrivit staŃiilor mobile ce nu dispun de o lăŃime de bandă mare;

� WTSL încorporează funcŃii de securitate ce au ca bază protocolul deja standardizat TLS (Transport Layer Security) şi include algoritmi de verificare a integrităŃii datelor, autentificarea utilizatorului, etc.

� WDP oferă aplicaŃiilor compatibile WAP independenŃă faŃă de modul de transport (bearer independent).

O metodă simplă de transfer de date între terminale mobile poate fi sistemul

de mesaje scurte, SMS - Short Messages Services. InformaŃia SMS este transmisă folosind canalul de control. Datorită limitării dimensiunii mesajelor la 160 de caractere, SMS nu reprezintă un mod de transport adecvat pentru WAP, chiar şi tranzacŃiile cele mai simple necesitând trimiterea a câtorva mesaje SMS. Dezavantajul este evident: metoda este scumpă şi consumatoare de timp.

Majoritatea serviciilor WAP folosesc principiul comutaŃiei circuitelor, CSD Circuit Switched Data, ca purtător de date. Şi acesta are însă un dezavantaj: viteza scăzută de conectare. Clientul WAP se conectează prin dial-up la gateway, operaŃiune ce durează aproximativ 10 secunde, acesta fiind scenariul cel mai optimist, când conexiunea este complet digitală. Dacă este necesară prezenŃa unei modem (de exemplu, dacă terminalul mobil nu suportă protocolul V.110 sau WAP Gateway şi nu beneficiază de o conexiune digitală la reŃeaua mobilă), atunci durata de conectare creşte la aproximativ 30 de secunde.

USSD - Unstructured Supplementary Services Data reprezintă un mod de a transmite informaŃii sau instrucŃiuni în cadrul unei reŃele GSM. Spre deosebire de SMS, USSD nu este un serviciu de tip „stochează şi trimite” (store and forward) şi este orientat pe conexiune, adică atunci când este accesat un serviciu USSD, legătura radio iniŃializată în acel moment rămâne activă până când aplicaŃia sau utilizatorul o închide. Mesajele text pot avea până la 182 de caractere.

Există două metode eficiente de a trimite informaŃii către un telefon mobil: prin SMS (unul din purtătorii WAP) sau prin menŃinerea de către client a unei conexiuni GPRS (iniŃiată de către terminalul mobil). Cu toate că primul nu necesită realizarea unei conexiuni între telefon şi gateway (ca în cazul CSD), inconvenientul major îl reprezintă faptul că este de tip „stochează şi trimite”, aceasta însemnând că, chiar şi atunci când utilizatorul cere informaŃii de la propriul microbrowser, sunt folosite resursele Centrului SMS. În concluzie, GPRS reprezintă purtătorul de date cel mai performant pentru WAP şi va fi descris în continuare.

Un dezavantaj al tehnologiei WAP îl constituie faptul că nu încorporează tehnici de compresie pentru conŃinutul de tip text, deşi comenzile WML sunt compresate. Mai mult, dimensiunea maximă ce poate fi download-ată odată, folosind WML, denumită „deck”, este limitată la 1400 octeŃi. Aceasta înseamnă că aplicaŃiile


132

trebuie să fie perfect optimizate, folosind template-uri şi variabile, păstrând informaŃiile pe server şi utilizând cache-ul telefonului. În încercarea de a elimina acest dezavantaj, funcŃia de conversie în bytecode a WML defineşte o tehnică de compresie folosind tabele de string-uri. Aceasta înseamnă evitarea string-urilor duplicat în bytecode, reducându-se astfel cantitatea de date trimisă către client. 3.5.3 SoluŃia GPRS

GPRS - General Packet Radio Service este o funcŃie non-vocală, care permite

vehicularea informaŃiei prin intermediul unei reŃele de telefonie mobilă, completând serviciile deja existente la nivelul generaŃiei 2G: Circuit Switched Data şi Short Message Service . SoluŃia GPRS defineşte generaŃia 2,5G.

Teoretic, GPRS permite atingerea unor rate de bit de până la 171,2 kbps, utilizând toate cele 8 sloturi de timp (time slots) simultan. Această viteză este de aproximativ 3 ori mai mare decât cea posibilă folosind reŃelele de telecomunicaŃie fixe şi de 10 ori mai rapidă decât cea a serviciilor Circuit Switched Data (9,6 kbps) a reŃelelor GSM. ObŃinerea unor viteze de 171,2 kbps presupune ca un singur utilizator să beneficieze de toate cele 8 sloturi de timp şi fără să existe nici un algoritm de protecŃie la erori (care ar consuma de asemenea lăŃime de bandă). Evident, este puŃin probabil ca vreun operator să permită ca un singur utilizator să folosească toate cele 8 sloturi de timp. ReŃelele de telefonie mobilă GPRS au viteze de transmisie a datelor mai mici decât cele permise de către reŃelele fixe. Din acest motiv a fost necesară implementarea unor noi soluŃii: Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE - generaŃia 2,5G) şi Universal Mobile Telephone System (UMTS - generaŃia 3G).

Tehnologia GPRS constă în separarea informaŃiei în pachete, înainte ca aceasta să fie transmisă. Pachetele sunt reasamblate la destinaŃie. Pentru ca resursele GPRS să fie folosite doar atunci când utilizatorii transmit sau primesc date, este utilizată metoda numită comutarea pachetelor (packet switching). Aceasta constă în partajarea unui canal radio între mai mulŃi utilizatori, fără ca acesta să fie alocat unuia singur pentru o perioadă fixă de timp. Numărul de utilizatori admişi depinde atât de aplicaŃia folosită, cât şi de cantitatea de date transferată.

În cadrul GPRS, pachetele sunt trimise pe mai multe căi şi ajung la aceeaşi destinaŃie, existând posibilitatea ca unul sau mai multe să se piardă sau să sufere unele modificări în timpul transmisiei radio. Din acest motiv, standardul GPRS încorporează atât strategii de verificare a integrităŃii datelor, cât şi posibilităŃi de retransmisie a acestora, având astfel dezavantajul apariŃiei unor întârzieri în transmisiune. Aceasta face ca aplicaŃiile de broadcasting să fie implementate folosind HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), rezultând astfel o performanŃă superioara. Tehnologia HSCSD permite unui singur utilizator folosirea a până la 4 canale simultan şi, datorită caracteristicii sale de stabilire a unei conexiuni directe între cel care transmite şi cel care primeşte, este puŃin probabilă apariŃia de întârzieri.

Dacă mecanismul principal al SMS îl constituie motorul Store and Forward (Store and Forward Engine – mecanism „stochează şi retransmite”), standardul GPRS nu include nici o procedură de înmagazinare a datelor, ci doar metode de stabilire a căilor de interconectare între cele două sisteme.


133

3.5.4 Tehnologii 3G

GeneraŃia 3G este asociată cu utilizarea a două tehnologii pentru transmisiuni de date de viteză ridicată: CDMA2000 şi UMTS. CDMA2000

CDMA2000 este o extensie CDMA - Code Division Multiple Access, care identifică canalele de comunicaŃie printr-un cod pseudo-aleator, ceea ce permite partajarea aceleiaşi frecvenŃe de comunicaŃie de către mai mulŃi utilizatori. EficienŃa de utilizare a canalului este superioară soluŃiilor TDMA şi FDMA. CDMA2000 păstrează compatibilitatea cu versiunile CDMA anterioare, de exemplu cu CDMAone. Există mai multe implementări CDMA2000, descrise mai jos.

CDMA2000 1xRTT este implementarea standard. Protocolul defineşte două canale radio de 1,25 MHz lăŃime de bandă şi care suportă fiecare o rată de transfer de 144 kbps (uplink / downlink). Sunt prevăzute opŃiuni QoS de tipul “best effort”. Este considerat o soluŃie premergătoare pentru 3G.

CDMA2000 x3 sau AKA EV-DO Rev B (Evolution - Data / Voice) oferă o conexiune asimetrică care permite atingerea a 49 Mbps pe o frecvenŃă purtătoare. Implementările practice folosesc 3 canale virtuale a câte 14,7 Mbps care pot fi concatenate pentru obŃinerea unei rate de transfer aproape de valoarea maximă posibilă. Se foloseşte multiplexarea statistică a canalelor.

CDMA2000 EV-DV (Evolution - Data / Voice) permite rate de transfer de 3,1 Mbps pentru downlink şi 1,8 Mbps pentru uplink. Este un standard flexibil care a permis operatorilor implementări particulare, dar care nu a cunoscut o răspândire importantă datorită avantajelor şi accesibiltăŃii soluŃiei EV-DO.

CDMA2000 EV-DO (Evolution - Data Optimized) foloseşte CDMA şi TDMA pentru eficientizarea transferurilor. Permite aceiaşi parametri de comunicaŃie de date ca şi EV-DV, dar se bazează pe o infrastructură de tip IP ceea ce îi conferă avantaje nete de intrerconectare cu reŃelele TCP/IP. Este una dintre cele mai răspândite implementări ale CDMA2000. UMTS

Standardul UMTS - Universal Mobile Telecommunications System se bazează pe W-CDMA - Wideband Code Division Multiple Access şi permite viteze teoretice de până la 14,4 Mbps downlink şi 5,5 Mbps uplink atunci când utilizează protocolul HSDPA - High-Speed Downlink Packet Access. ComunicaŃiile UMTS folosesc modulaŃii adaptive QPSK şi 16QAM.

UMTS este considerat elementul reprezentativ al generaŃiei 3G şi baza viitoarelor implementări 4G. LăŃimea de bandă oferită permite accesul broadband la servicii de date tip Internet şi în mod particular la comunicaŃii de tip videotelefonie sau video broadcasting (televiziune). Spectrul de frecvenŃe tipic utilizat pentru comunicaŃiile UMTS este în banda de 2100 MHz (atât în Europa, cât şi pe continentul american) existând însă în anumite zone şi implementări bazate pe partajarea spectrului de frecvenŃe cu telefonia 2G (GSM 850, GSM 900).

În mod obişnuit se utilizează soluŃii hibride, respectiv dispozitive mobile care operează ca terminale 2G pentru comunicaŃiile vocale şi ca dispozitive 3G pentru comunicaŃii de bandă largă (transfer video, date). ModulaŃiile complexe utilizate fac ca aceste echipamente să aibă un consum ridicat, fapt ce constituie un dezavantaj în comunicaŃiile mobile.


134

Ca soluŃie de viitor se preconizează ca prin introducerea OFDM să se ajungă la viteze de 100 Mbps / 50 Mbps sau mai mult (generaŃia 4G). O versiune HSPA (HSPA+) este asociată cu generaŃia 3,5G şi permite 42 Mbps downlink şi 22 Mbps uplink. LTE O dezvoltare 3G recentă este 3GPP LTE - Third Generation Partnership Project Long Term Evolution. SoluŃia LTE reprezintă răspunsul operatorilor reŃelelor de comunicaŃii mobile la provocarea 4G, pentru a oferi rate de transfer de date superioare în benzile de frecvenŃă deja alocate telefoniei mobile şi de a evita astfel trecerea echipamentelor în alte benzi de frecvenŃă ceea ce ar implica costuri de migrare foarte mari, dar şi marginalizarea investiŃiilor enorme deja făcute în zona frecvenŃelor 3G. LTE trebuie deci să facă faŃă altor tehnologii de comunicaŃie mobilă, cum este WiMAX, care oferă rate de transfer superioare, dar în alte benzi de frecvenŃă. Standardul LTE propus prevede viteze de până la 326,4 Mbps / 86,4 Mbps (downlink / uplink) iar primele implementări au permis deja obŃinerea a 50 Mbps. LTE operează cu canale cu lăŃimea de bandă de 20 MHz, oferă trei nivele de performanŃă în funcŃie de distanŃa acoperită (pentru 5 km, 30 km şi 100 km), permite sub 5 ms latenŃă, asigură compatibilitate IP şi, nu în ultimul rând, permite coexistenŃa cu GSM/GPRS, CDMA2000, UMTS. Se utilizează OFDM pentru downlink şi FDMA pentru uplink iar modulaŃiile sunt QPSK, 16QAM sau 64QAM.

Prin asigurarea compatibilităŃii cu transportul IP, tehnologia LTE se identifică cu generaŃia 4G a comunicaŃiilor mobile. 3.6 ReŃele wireless IEEE 802.11 ComunicaŃiile radio de tip wireless Ethernet sau wireless LAN (WLAN) sunt definite de familia de standarde IEEE 802.11. Ele se referă la utilizarea a două metode de comunicaŃie radio, DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) şi FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) în banda de 2.4 GHz (802.1b/g) sau 5 GHz (802.11a). Ca metodă de acces la mediu se utilizează CSMA/CA.

Clienti cablati via wireless bridge

Clienti cablaŃi

Figura 3.39 Elementele unei reŃele wireless „infrastructura”

ReŃea IP

Wireless Bridge

AP

B

Clienti wireless

Access Point


135

Elementele generice ale unei reŃele wireless tipice sunt prezentate în figura 3.39. Aşa cum se observă acestea includ interfeŃe radio de comunicaŃie care în principiu sunt destinate interconectării transparente a clienŃilor într-o reŃea locală. În ceea ce priveşte arhitectura de comunicaŃie, IEEE 802.11 defineşte nivelurile inferioare ale stivei de protocoale ISO/OSI. Modul de realizare a asocierilor necesare este prezentat în figura 3.40. Descrierea elementelor definitorii ale nivelurilor PHY şi MAC ale IEEE 802.11 este prezentată în subcapitolele următoare. 3.6.1 Topologii wireless

ReŃelele WLAN se bazează pe două arhitecturi fundamentale, Ad-Hoc şi

Infrastructura. O reŃea LAN wireless ad-hoc grupează mai multe echipamente echipate cu interfeŃe radio care comunică independent între ele pe un canal de comunicaŃie comun.

În cazul arhitecturii de tip infrastructura comunicaŃia este intermediată de un dispozitiv radio de nivel fizic numit punct de acces radio sau AP - Access Point. Un AP gestionează mai mulŃi clienŃi care comunică pe acelaşi canal radio. El asigură şi dublarea distanŃei maxime posibile între doi utilizatori datorită faptului că intermediază comunicaŃia. La nivelul AP se asigură accesul în reŃeaua cablată. În acest fel clienŃii radio sunt conectaŃi împreună cu clienŃii cablaŃi într-o singură reŃea logică. În unele cazuri AP-ul include şi funcŃii de rutare (AP Router) care îi permit „să ascundă” o reŃea locală proprie, radio şi/sau cablată.

Deoarece echipamentul radio asigură şi adaptarea între două medii de comunicaŃie diferite (perechi conductoare şi unde radio) ele intră în categoria punŃilor de date (bridge). AP-ul este bridge master iar clientul radio este bridge slave.

Echipamentele wireless 802.11 prezintă de obicei mai multe moduri de lucru care pot fi selectate de utilizator. Uzual sunt posibile modurile de lucru de mai jos:

• Punct de acces (Access Point) - echipamentul este dispozitivul central (master) şi gestionează traficul cu clienŃii radio şi accesul în reŃeaua cablată;


Nivel fizic

ISO / OSI


Nivel fizic

(PHY)

Controlul legăturii logice (LLC)

Figura 3.40 Arhitectura IEEE 802.11 şi echivalenŃa cu modelul ISO-OSI

IEEE 802.11

2,4 GHz FHSS

2,4 GHz DSSS

Infrared IR

5 GHz OFDM

2,4 GHz HR/DSSS

IEEE 802.11 1 şi 2 Mbps

IEEE 802.11a 6, 9 ,12,18,

24, 36, 48 54 Mbps

IEEE 802.11b 5,5 şi 11

Mbps

FuncŃii de coordonare distribuită (DCF)

FuncŃii de coordonare punctuală (PCF)

Servicii concurenŃiale

Servicii neconcurenŃiale


136

• Client AP - dispozitivul comunică cu AP-ul master definit prin numele SSID

(Service Set Identifier - identificatorul setului de servicii) şi permite accesul în reŃeaua AP-ului a clienŃilor conectaŃi pe interfaŃa cablată;

• Bridge wireless, punct la punct - interconectează două reŃele cablate, în mod transparent, la nivel MAC/PHY;

• Bridge wireless, multipunct - interconectează mai multe reŃele cablate, în mod transparent, la nivel MAC/PHY;

• Repetor - repetă semnalul radio al unui AP sursă, identificat la nivel MAC/PHY, extinzând zona de vizibilitate a acestuia (cu acelaşi identificator SSID şi pe acelaşi canal radio); reduce lăŃimea de bandă disponibilă prin divizarea acesteia la numărul de unităŃi conectate.

3.6.2 Tehnici de modulaŃie IEEE 802.11 Standardul IEEE 802.11 (1997) specifică trei tehnici de transmisie permise la nivelul fizic. Una din metodele de transmisie avute iniŃial în vedere în cadrul acestui standard se baza pe radiaŃia infraroşie, celelalte metode utilizând transmisia radio pe distanŃe scurte (tehnici FHSS şi DSSS, descrise mai jos).

ComunicaŃiile radio 802.11 utilizează o zonă a spectrului de frecvenŃe care nu necesită licenŃiere (banda de 2,4 GHz sau 5 GHz, ISM). Alocarea canalelor radio pentru banda de 2,4 GHz este prezentată în figura 3.41.

Vitezele de transfer cu care se opera erau iniŃial de 1-2 Mbps la o putere suficient de redusă (100 mW) pentru a nu perturba alte echipamente similare aflate în apropiere. În 1999 au fost introduse îmbunătăŃiri care au permis obŃinerea de performanŃe superioare: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) pentru viteze de până la 11 Mbps (IEEE 802.11b) şi respectiv OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing) pentru viteze de până la 54 Mbps (IEEE 802.11g). În 2001 OFDM a fost extins şi în banda de 5 GHz (IEEE 802.11a).

Canal

FrecvenŃă [MHz]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

2500

2490

2480

2470

2460

2450

2440

2430

2420

2410

2400

Figura 3.41 Alocarea canalelor radio pentru reŃelele 802.11b/g


137

IniŃial standardul definea o comunicaŃie la 1 Mbps sau 2 Mbps folosind radiaŃia

infraroşie de 0,85 sau 0,95 microni. La 1 Mbps se foloseşte o schemă de codificare în care un grup de 4 biŃi este codificat printr-un cuvânt de 16 biŃi conŃinând 15 de „0” şi un singur „1”. Acest cod are proprietatea că o mică eroare în sincronizarea temporală duce doar la o eroare de un bit la recepŃie. La 2 Mbps codificarea foloseşte 2 biŃi pe simbol transmis şi produce cuvinte cu lungimea de 4 biŃi, de asemenea conŃinând un singur bit „1”.

Unul din modurile de transmisie avut iniŃial în vedere pentru comunicaŃiile radio pe distanŃe scurte a fost FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum (spectru împrăştiat cu salt de frecvenŃă). Acesta foloseşte 79 de canale şi 22 de secvenŃe de salt la viteze de 1 Mbps sau 2 Mbps. Un generator de numere pseudo-aleatoare este utilizat pentru a produce secvenŃa de frecvenŃe după care se vor efectua salturile. Cât timp staŃiile folosesc aceeaşi rădăcină pentru generatorul de numere pseudo-aleatoare şi rămân sincronizate, ele vor „sări” simultan la aceleaşi frecvenŃe, durata rămânerii pe o anumită frecvenŃă fiind de maximum 400ns. FHSS (IEEE 802.11, 1997) a fost înlocuit în mare parte de alte moduri de transmisie, mai eficiente din punctul de vedere al utilizării benzii.

Un alt mod de transmisie este DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum (spectru împrăştiat cu succesiune directă). În acest caz se folosesc 14 canale (figura 3.39) cu ecart de 5 MHz în banda 2,4000 GHz – 2,4835 GHz: frecvenŃa centrală 2412 MHz pentru canalul 1, 2417 MHz pentru canalul 2 etc. Rata de transfer adoptată este de 1 Mbps, 2 Mbps, 5,5 Mbps sau 11 Mbps. SecvenŃa de biŃi este transmisă folosind codul Barker (o succesiune de simboluri „+1” sau „-1” asociate cu salturi de fază şi având lungimi tipice de 11 sau 13 simboluri) pentru viteze de 1 Mbps sau 2 Mbps sau, după 1999, folosind CCK - Complemnatry Code Keying, pentru viteze de până la 11 Mbps. CCK foloseşte perechi de secvenŃe binare organizate în cuvinte de lungime finită având numărul de elemente „0” respectiv „1” egal pentru fiecare cuvânt de cod (cod Hadamard). Se transmit pulsuri (+1, -1) modulate în fază. Dacă se consideră 4 faze φ1, φ2, φ3, φ4 atunci acestea se alocă după regula următoare: φ1 se alocă fiecărui simbol, φ2 se alocă suplimentar simbolurilor pare, φ3 se alocă suplimentar primelor 2 simboluri din fiecare grup de 4 iar φ4 se alocă suplimentar primelor 4 simboluri din fiecare grup de 8. Transmisiunile DSSS cu modulaŃie CCK se mai numesc şi HR-DSSS, High Rate DSSS. Aceste moduri de comunicaŃie sunt reglementate de standardul IEEE 802.11b (1999).

Unul dintre cele mai performante moduri de comunicaŃie wireless este OFDM -

Ortogonal Frequency Division Multiplexing, multiplexare cu divizare în frecvenŃe ortogonale. Metoda este cunoscută şi sub denumirea de DMT - Discrete MultiTone Modulation. Rata de transfer ajunge la 54 Mbps sau mai mult prin tehnici proprietar de concatenare a două canale. Se folosesc frecvenŃe ortogonale pentru a reduce interferenŃa cu canalele alăturate. Banda de frecvenŃe utilizată este de asemenea divizată într-un număr de 14 canale (11 în USA, 13 în Europa, 14 în Japonia) cu ecart de 5 MHz iar în cadrul fiecăruia sunt definite 52 de frecvenŃe purtătoare, 48 pentru date şi 4 pentru sincronizare, spaŃiate la rândul lor la 312,5 kHz.

Puterea de emisie pe fiecare frecvenŃă este limitată (100 mW), dar nu este definită o mască spectrală, ceea ce înseamnă că spectrul unui canal se suprapune peste spectrul canalelor alăturate. Se impune o atenuare de 30 dB la o distanŃă de ±11 MHz şi de 50 dB la o distanŃă de ±22 MHz faŃă de frecvenŃa centrală a canalului. Prin urmare interferenŃa scade la un nivel care nu deranjează, respectiv are o


138

atenuare mai mare de 30 dB la o distanŃă de 11 MHz, de o parte şi de alta a frecvenŃei centrale. Se poate deci considera că, deoarece un canal foloseşte o lăŃime de bandă de 22 MHz şi având în vedere ecartul de 5 MHz, o spaŃiere considerată rezonabilă pentru a nu apare interferenŃe ar fi de 5 canale În figura 3.40 este prezentat modul de acoperire a benzii de frecvenŃe a celor 14 canale alocate. Spectrul de frecvenŃe al unui canal (canalul 3, 2422 MHz) este reprezentat în figura 3.42.

ComunicaŃiile OFDM sunt standardizate pentru banda de 2,5 GHz – IEEE 802.11g (2003), dar şi pentru banda de 5 GHz – IEEE 802.11a (1999).

Începând cu 2007 este în dezvoltare (draft) sistemul IEEE 802.11n pentru viteze ce ar putea ajunge la 600 Mbps bazat pe tehnici de multiplexare spaŃială şi folosind antene speciale (MIMO – Multiple In Multiple Out) precum şi scheme complexe de codare spaŃio-temporală (codarea Alamouti). Există deja implementări comerciale ale acestui standard pentru viteze de 144,4 Mbps pentru o lăŃime a canalului de 20 MHz şi 300 Mbps pentru o lăŃime de 40 MHz (obŃinută prin agregarea a două canale).

Tehnologia MIMO se bazează pe exploatarea fluxurilor radio multiple, prin utilizarea mai multor antene de emisie (NTA) respectiv de recepŃie (NRA). Dacă NF este numărul de fluxuri radio ce poate fi procesat simultan de un terminal radio, atunci multiplexarea spaŃială va fi definită prin NTA x NRA : NF. Schemele uzuale sunt 2x2:2, 2x3:2, 3x3:2, toate oferind însă acelaşi debit binar la nivel fizic. 3.6.3 Accesul la mediu in reŃelele IEEE 802.11

În reŃelele de date nivelul fizic este cel care rezolvă problemele de acces la mediu. Atunci când este vorba de transmisiuni în radiofrecvenŃă nivelul fizic (identificat prin prescurtarea PHY - physical) capătă o importanŃă aparte în contextul transferului informaŃional, deoarece defineşte parametrii legăturii radio: frecvenŃe,

>50 dB

>30 dB

2392 2402 2412 2422 2432 2442 2452 2462

Canal 1 Canal 3 Canal 5 Canal 7 Canal 9 Canal 11

FrecvenŃă [MHz]

Nivel semnal [dB]

Lob principal

Lobi laterali

Canal radio

Figura 3.42 DistribuŃia spectrală a puterii pentru un canal (3) radio 802.11b


139

lăŃimi de bandă, eficienŃă spectrală, modulaŃii, puteri de emisie, gestiunea interferenŃelor, tehnologii de propagare etc. Peste subnivelul PHY operează subnivelul MAC care rezolvă problemele de acces la mediu din punctul de vedere al secvenŃei de biŃi.

În reŃelele Ethernet o staŃie aşteaptă până când sesizează „linişte” în mediul de comunicaŃie. Dacă nu aude zgomot de coliziune în primii 64 de octeŃi se trage concluzia ca acel cadru a fost recepŃionat corect (CSMA/CD). În cazul reŃelelor fără fir, situaŃia este diferită. Din moment ce nu toate staŃiile se află în domeniul de acoperire radio al uneia faŃă de alta (deci nu se află în acelaşi domeniu de coliziune), transmisiunile care au loc într-o parte a celulei pot să nu fie recepŃionate în altă parte a celulei. Ambele se găsesc însă în aria acoperită de AP. Această problemă este cunoscută ca „problema staŃiei/nodului ascuns”: staŃiile nu se „văd” una pe alta, dar pot comunica prin intermediul AP (figura 3.43). Pentru a rezolva situaŃiile când două staŃii vor să transmită în acelaşi timp, având în vedere ca ele nu pot comunica direct, se utilizează un sistem de arbitrare a accesului de către AP pe bază de cereri de transmisie RTS - Request to Send urmate de acceptarea solicitării, CTS - Clear to Send.

RTS/CTS sunt semnale folosite pentru a preveni posibilele coliziuni dintre

punctele ascunse. StaŃia care doreşte să transmită date, trimite un semnal de tip RTS către AP-ul din aria de acoperire pentru a cere permisiunea de transmisie iar AP-ul îi va răspunde cu un semnal de tip CTS atunci când nu sunt angajate şi alte comunicaŃii.

IEEE 802.11 suportă două moduri de funcŃionare: DCF şi PCF. Primul, denumit DCF - Distributed Coordination Function (funcŃie de

coordonare distribuită) nu foloseşte nici un fel de control central fiind similar în această privinŃă Ethernet-ului.

Al doilea, PCF - Point Coordination Function (funcŃie de coordonare punctuală) foloseşte staŃia de bază (AP-ul) pentru a coordona toată activitatea din celula sa. Toate implementările trebuie să suporte DCF, în timp ce PCF este opŃional.

În cazul DCF, IEEE 802.11 se bazează pe tehnica de acces la mediu numită

CSMA/CA (Collision Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA cu evitarea coliziunilor). În acest protocol se foloseşte atât observarea canalelor fizice,

Figura 3.43 Principiul comunicaŃiei între clienŃi wireless

RTS AP

Client wireless

Access Point

CTS

Data

ACK

Client AP Arie de acoperire RTS

Arie de acoperire CTS

Lipsă de vizibilitate

directă între clienŃi

Client wireless


140

cât şi observarea canalelor virtuale. CSMA/CA implementează reguli diferite comparativ cu tehnologia CSMA/CD folosită în reŃelele Ethernet. Protocolul suportă două moduri de operare, descrise mai jos.

În primul caz, atunci când o staŃie vrea să transmită, „ascultă” mai întâi canalul. Dacă este liber, începe să transmită, dar nu va mai asculta canalul în timpul transmisiunii, ci va trimite întregul cadru. Acesta ar putea să ajungă deteriorat la receptor datorită interferenŃelor. Dacă în schimb canalul este ocupat, emiŃătorul amână transmisia până când mediul devine liber şi abia apoi începe să transmită. Dacă apare o coliziune, staŃiile implicate aşteptă un timp aleator, folosind algoritmul exponenŃial de regresie binară şi încearcă ulterior încă o dată.

Cealaltă metodă CSMA/CA se bazează pe schimbul de secvenŃe RTS/CTS şi constă în observarea canalelor virtuale aşa cum este ilustrat în figura 3.44. Se consideră scenariul în care staŃiile A, B şi C pe de o parte precum şi B, C şi D pe de altă parte se văd între ele, dar A şi D nu se văd între ele, neaflându-se una în aria de acoperire radio a celeilalte.

Atunci când staŃia A decide că vrea să emită către B ea lansează un cadru RTS către aceasta, pentru a-i cere permisiunea să îi transmită un cadru. Când B primeşte această cerere, poate sa decidă să ofere permisiunea, caz în care îi trimite un cadru CTS înapoi lui A. După ce primeşte CTS, A îşi trimite cadrul şi iniŃiază un contor de timp pentru aşteptarea confirmării ACK. După recepŃionarea corectă a cadrului de date, B răspunde cu un cadru ACK, terminând astfel sesiunea de comunicaŃie. În cazul în care cronometrul pentru ACK al lui A expiră înainte ca mesajul ACK să revină la el, întreaga procedura este reluată.

Data

ACK CTS

RTS

NAV

NAV

StaŃia A

StaŃia B

StaŃia C

StaŃia D

t [ms]

t [ms]

t [ms]

t [ms]

StaŃia A StaŃia B StaŃia C StaŃia D

Figura 3.44 Principiul mecanismului RTS/CTS utilizând CSMA/CA


141

În acest timp C este şi el în aria de acoperire a lui A, deci poate primi cadrul RTS. Dacă îl primeşte, îşi va da seama că o staŃie urmează să emită date în curând, astfel încât se va abŃine să transmită ceva până când schimbul observat este finalizat. Din informaŃia prezentă în cererea RTS se poate estima durata tranzacŃiei, incluzând ACK-ul final, astfel încât el simulează o ocupare virtuală, prin intermediul secvenŃei NAV - Network Allocation Vector.

StaŃia D nu „aude” RTS, dar „aude” CTS, astfel încât îşi alocă de asemenea un NAV. Semnalele NAV nu sunt transmise; ele sunt doar modalităŃi interne de a aminti staŃiilor să „tacă” pentru o anumită perioadă.

Când se foloseşte PCF, staŃia de bază (AP) interoghează celelalte staŃii dacă au ceva de transmis. Ordinea transmisiilor este complet controlată de către staŃia de bază şi de aceea nu apar niciodată coliziuni. Standardul prescrie mecanismul pentru interogare, dar nu şi frecvenŃa interogărilor, ordinea interogărilor şi nici măcar dacă staŃiile trebuie să primească drepturi egale. Mecanismul principal este acela prin care staŃia de bază emite periodic (de 10 ori până la 100 de ori pe secundă) un cadru baliză - beacon frame. Cadrul baliză conŃine parametrii de sistem, cum ar fi intervalul de salt şi timpii de viaŃă sau sincronizări de ceas. De asemenea, acest cadru invită staŃiile noi să se înregistreze pentru serviciul de interogare. Din momentul în care o staŃie s-a înregistrat pentru serviciul de interogare la o anumită viteză, aceasta va beneficia garantat de o fracŃiune din lăŃimea de bandă, în acest fel fiind posibilă oferirea de garanŃii de tip QoS (Quality of Service).

Spre deosebire de reŃelele cablate, reŃelele fără fir sunt zgomotoase şi instabile. Ca urmare, probabilitatea unui cadru de a ajunge cu succes la o destinaŃie scade odată cu creşterea lungimii cadrului. Deci, un cadru care este prea lung, are puŃine şanse să fie transmis fără erori şi va trebui, cel mai probabil, retransmis. Pentru a rezolva problema canalelor zgomotoase, 802.11 permite cadrelor să fie fragmentate în segmente mai mici, fiecare tratate separat din punctul de vedere al erorilor de transmisie, având propria sumă de control. Fragmentarea creşte eficienŃa transmisiei prin limitarea retransmiterii doar la fragmentele eronate, eliminând necesitatea de a retransmite întregul cadru (figura 3.45).

Frag 1

ACK CTS

RTS

NAV

NAV

StaŃia A

StaŃia B

StaŃia C

StaŃia D

t [ms]

t [ms]

t [ms]

t [ms]

Frag 2

ACK

Frag 3

ACK

Date fragmentate

Figura 3.45 Fragmentarea secvenŃelor de date în reŃelele IEEE 802.11


142

În cazul în care într-o reŃea wireless există clienŃi tip 802.11b şi 802.11g este necesară utilizarea sistemului PCF (bazat pe RTS/CTS) altfel staŃiile tip „b” ar putea să transmită simultan cu staŃiile tip „g” deoarece nu le pot „vedea”, acestea folosind un tip diferit de modulaŃie, OFDM. Dacă toŃi clienŃii sunt de tip „g” atunci utilizarea DCF creşte eficienŃa transmisiei, dar un eventual client „b”, chiar dacă nu dialoghează în cadrul comunicaŃiei, poate determina interferenŃe radio. 3.6.4 Formatul cadrului IEEE 802.11

Standardul IEEE 802.11 defineşte trei clase de cadre: - Cadre de date - Cadre de control - Cadre de gestionare (management) Fiecare dintre acestea are un antet cu mai multe câmpuri utile în cadrul

subnivelului MAC. Există şi unele antete utilizate de către nivelul fizic, dar acestea sunt de obicei legate de modulaŃiile folosite.

Formatul cadrului de date standardizat în comunicaŃiile wireless IEEE 802.11 (figura 3.46) evidenŃiază un prim câmp de control al acestuia. Câmpul de control are la rândul lui 11 subcâmpuri. Primul subcâmp specifică versiunea de protocol (DCF sau PCF) permiŃând acestora să opereze în acelaşi timp în aceeaşi celulă. Apoi urmează câmpurile pentru tip (de date, de control sau de gestiune) şi subtip (RTS sau CTS). BiŃii „Către DS” şi „De la DS” indică direcŃia de transport a cadrului – către sistemul de distribuŃie sau de la sistemul de distribuŃie între celule. Bitul „Urmează fragmente” semnalizează prin „1” că vor urma mai multe fragmente. Bitul „Reîncercare” marchează o retransmisie a unui cadru trimis anterior. Bitul „Consum” este folosit de către staŃia de bază pentru a pune receptorul în stare de aşteptare de consum redus (power save) sau pentru a-l scoate din starea de aşteptare (power active). Bitul „Urmează cadre” indică faptul că emiŃătorul mai are cadre de transmis pentru receptor. Bitul WEP specifică criptarea cadrului folosind algoritmul WEP - Wired Equivalent Protocol. În sfârşit, bitul „Ordine” indică receptorului că o secvenŃă de cadre cu acest bit setat trebuie prelucrată strict în ordinea în care cadrele au fost recepŃionate.

Control cadru

Durată Adresă 1

Adresă 2

Adresă 3

Secv. Adresă 4

Date Sumă control

2 2 6 6 6 2 6 0 – 2312 4

Vers. Tip Subtip Către DS

De la DS

Urmează fragm.

Reînc. Consum WEP

2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1

Urmeză cadre

Ordine

Figura 3.46 Cadrul de date 802.11şi detalierea câmpului de control

Bytes:

Bits:

Cadru 802.11

Câmp de control al cadrului


143

Cel de-al doilea câmp al cadrului de date, câmpul „Durată”, indică intervalul de timp în care cadrul şi confirmarea lui vor ocupa canalul. Acest câmp este prezent de asemenea şi în cadrele de control şi reprezintă modalitatea prin care alte staŃii gestionează mecanismul NAV. Antetul cadrului conŃine patru adrese: două precizează adresa sursă şi adresa destinaŃie a cadrului, iar două definesc nodul transmiŃător Tx si respectiv nodul receptor Rx (numite şi staŃii de bază). Câmpul „SecvenŃă” permite numerotarea fragmentelor. Din cei 16 biŃi, disponibili, 12 identifică cadrul şi 4 identifică fragmentul. Câmpul „Date” conŃine încărcătura utilă, având până la 2312 octeŃi, fiind urmat de „Suma de control”.

Cadrele de gestiune au un format similar celor de date, cu excepŃia uneia dintre adresele staŃiilor de bază, deoarece cadrele de gestiune sunt restricŃionate la o singură celulă. Cadrele de control sunt şi mai scurte, având numai una sau două adrese, neavând câmp de „Date” şi nici un câmp „secvenŃă”. Aici informaŃia utilă se află în câmpul „subtip”, de obicei RTS, CTS sau ACK.

ComunicaŃiile 802.11b utilizează transmisii de tip DSSS/CCK - Direct

Sequence Spread-Spectrum / Complementary Code Keying şi modulaŃii PSK (binare sau în quadratură, BPSK, QPSK). ComunicaŃiile 802.11a şi 802.11g folosesc OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing şi modulaŃii PSK sau QAM. În tabelul 3.47 sunt sintetizate aceste caracteristici.

Deoarece comunicaŃiile radio pot fi recepŃionate de orice echipament aflat în aria de acoperire rezultă o vulnerabilitate crescută la interceptare neautorizată. Pentru a rezolva aceasta problemă sunt prevăzute două modalităŃi de securizare a transferurilor: criptare WEP - Wired Equivalent Privacy şi WPA - Wi-Fi Protected Access (propus de Wi-Fi Alliance).

WPA defineşte schimbarea cheii de criptare după fiecare cadru folosind protocolul pentru integritatea cheilor temporare (TKIP - Temporary Key Integrity Protocol) sau protocolul de autentificare codată a mesajelor cu contorizare şi cu blocuri cifrate înlănŃuite (CCMP - Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) bazat pe algoritmul de criptare AES - Advanced

OFDM

Rată date

(Mbps)

Tip transmisie

Purtătoare Tip

ModulaŃie BiŃi codaŃi pe subpurtătoare

BiŃi de date pe simbol OFDM

(n)

Rata codare

FEC

(n/m)

BiŃi codaŃi pe

simbol OFDM

(m)

Rata simbolurilor

(Msps)

1 DSSS/CCK Single BPSK - - - 1 2 DSSS/CCK Single QPSK - - - 1

5.5 DSSS/CCK Single QPSK - - - 1.375 6 OFDM Multiple BPSK 1 24 1/2 48 12 9 OFDM Multiple BPSK 1 36 3/4 48 12 11 DSSS/CCK Single QPSK - - - 1.375 12 OFDM Multiple QPSK 2 48 1/2 96 24 18 OFDM Multiple QPSK 2 72 3/4 96 24 24 OFDM Multiple 16-QAM 4 96 1/2 192 48 36 OFDM Multiple 16QAM 4 144 3/4 192 48 48 OFDM Multiple 64-QAM 6 192 2/3 288 72 54 OFDM Multiple 64-QAM 6 216 3/4 288 72

Tabelul 3.47 ProprietăŃile comunicaŃiilor 802.11b/g


144

Encryption Standard (WPA2). Acestea permit schimbarea cheii cadru cu cadru şi sincronizarea lor între AP şi clientul radio, spre deosebire de WEP, care foloseşte aceiaşi cheie pentru toate cadrele, ca şi în comunicaŃiile cablate. WPA este evident mai eficient şi, ca urmare, noul standard 802.11n nu mai oferă suport pentru WEP.

Deoarece standardele specifică parametri, dar nu şi metode de evaluare a echipamentelor utilizate şi, având în vedere numărul mare de metode şi tehnici dezvoltate în legătură cu comunicaŃiile wireless, un grup de companii au fondat Wi-Fi Alliance (Wireless Fidelity) care certifică, contra cost, echipamentele din punctul de vedere al încadrării în standarde, al interoperabilităŃii şi al regulilor de securitate garantând un grad înalt de compatibilitate între acestea.

Un alt termen folosit de asemenea în legătură cu reŃelele wireless IEEE 802.11 este hot-spot. Conceptul hot-spot a fost propus în 1993 şi se referă la accesul public, wireless, într-o arie determinată, la servicii Internet. Accesul poate fi cu plată sau gratuit şi deserveşte de obicei zone publice: gări, aerogări, zone comerciale, campusuri, parcuri, pieŃe publice. De cele mai multe ori hot-spot oferă acces la servicii minimale şi implică accesarea implicită de pagini publicitare.

În tabelul 3.48 este prezentată o sinteză a principalelor standarde IEEE

802.11. Aşa cum se observă, standardul a evoluat plecând de la comunicaŃii simple in spectrul infraroşu (IR) şi mergând până la transmisiuni în diverse benzi ale spectrului de microunde, înglobând totodată şi soluŃii moderne care au permis atingerea unor performanŃe comparabile cu multe dintre soluŃiile cablate.

IEEE

802.11 An FrecvenŃă

[GHz] Rată bit [Mbps]

Debit util [Mbps]

ModulaŃie Acoperire [m]

- 1997 2,4 2 0,9 IR/FH/DSSS 20/100 a 1999 5 54 23 OFDM 35/120 b 1999 2,4 11 4,3 DSSS 38/140 g 2003 2,4 54 19 OFDM 38/140 n 2009 2,4; 5 600 74 OFDM 70/250 y 2008 3,7 54 23 OFDM 50/5000

Tabelul 3.48 Principalele caracteristici comparative

ale standardelor IEEE 802.11 3.7 ComunicaŃii ZigBee, IEEE 802.15.4

ComunicaŃiile ZigBee au apărut ca o alternativă la soluŃiile Bluetooth sau WiFi în scopul asigurării unor facilitaŃi de comunicaŃie wireless bazate pe reŃele radio cu auto-organizare. Primele reŃele ZigBee au început să fie implementate în 1998, principalele specificaŃii devenind, în 2003, standardul IEEE 802.15.4, completat ulterior în mai multe etape. Certificarea performanŃelor a fost asumată de ZigBee Alliance care a elaborat specificaŃii începând din 2004.

Comparativ cu modelul ISO/OSI, comunicaŃiile ZigBee sunt organizate pe 5 nivele [27] definite ca în figura 3.49. Nivelurile inferioare sunt reglementate IEEE iar cele intermediare sunt reglementate de ZigBee Alliance. Nivelul aplicaŃie/profil face conexiunea cu aplicaŃia care exploatează comunicaŃia.


145

IEEE 802.15.4 defineşte pentru utilizare trei benzi de frecvenŃă ce nu necesită

licenŃiere. Sunt alocate 16 canale în banda de 2,4 GHz, 10 canale în banda 902-928 MHz şi 1 canal în banda 868-870 MHz. Ratele de transmisie reglementate sunt de 250 kbps la 2,4 GHz, folosind QPSK, 40 kbps în banda 902-928 MHz folosind BPSK şi 20 kbps în banda 868-870 MHz folosind BPSK.

La nivelul fizic (PHY) ZigBee operează cu pachete de 128 de octeŃi care includ un câmp variabil de date utile (payload) cu lungimea de până la 104 octeŃi. Standardul prevede şi posibilităŃi de adresare extinsă pe 64 de biŃi sau adresare restrânsă, pe 16 biŃi fiind posibile peste 65.000 de noduri [27].

La nivelul MAC sunt incluse funcŃiile de asociere/dezasociere, sincronizare bazată pe cadre speciale de balizare (beacon frames), mecanisme de prioritizare a sloturilor de timp precum şi controlul efectiv al accesului la mediu de tip prin metoda CSMA-CA.

Arhitecturile de conectare ZigBee pot fi de tip stea, Mesh sau arborescente (figura 3.49). Indiferent de arhitectură, din punct de vedere fizic o reŃea ZigBee include dispozitive cu funcŃionalitate redusă (RFD – Reduced Function Device) şi dispozitive cu funcŃionalitate completă (FFD – Full Function Device). RFD operează cu resurse limitate asigurând astfel un consum redus şi posibilitatea de funcŃionare pe baterii în timp ce FFD foloseşte resurse extinse, fiind de obicei alimentat de la reŃea. RFD poate căuta o reŃea, se poate conecta numai la un FFD, poate solicita date de la coordonatorul de reŃea şi poate intra în stare de aşteptare atunci când este cazul, pentru a reduce consumul. Un FFD poate fi coordonator de reŃea şi se poate conecta atât cu un RFD, cât şi cu un FFD. În fiecare reŃea ZigBee trebuie să existe un coordonator unic al reŃelei PAN (figura 3.50).

Sub aspect logic, dispozitivele fizice RFD şi FFD pot opera ca şi coordonatori ZigBee (ZibBee Coordinator), rutere ZigBee (ZigBee Router) sau dispozitive de capăt (ZigBee End Device). Coordonatorul iniŃializează reŃeaua, gestionează nodurile şi stochează datele despre acestea. Ruterul se ocupă cu dirijarea (rutarea) mesajelor între două noduri. Dispozitivele de capăt sunt clienŃii conectaŃi la capătul segmentelor de comunicaŃie.

Nivel aplicaŃie

Nivel prezentare

Nivel sesiune

Nivel transport

Nivel reŃea

Nivel legătură de date

Nivel fizic

Figura 3.49 Arhitectura IEEE 802.15.4 / ZigBee şi echivalenŃa cu modelul ISO / OSI

Nivel aplicaŃie / Profile

Nivel adaptare

Nivel reŃea / securitate

ISO / OSI IEEE 802.15.4 / ZigBee

Nivel PHY

Nivel MAC Reglementare IEEE

Reglementare ZigBee Alliance

Definibil de către

utilizator


146

Datorită modului de vehiculare a mesajelor de la un nod la altul, uneori chiar

pe mai multe căi, reŃelele ZigBee se auto-construiesc fiind uşor expandabile prin interconectarea mai multor reŃele.

Ca şi securitate, ZigBee utilizează accesul pe bază de liste de acces, contoare de învechire a pachetelor şi criptarea pe 128 de biŃi [27].

AplicaŃiile comunicaŃiilor ZigBee sunt extrem de diverse. Ele se folosesc pe

scară largă în domotică, în conectarea fără fir a senzorilor, la interconectarea dispozitivelor mobile, în controlul unor procese industriale sau în gestiunea energiei.

Deşi sub aspect tehnic există încă controverse referitoare la faptul că Zigbee operează în benzi de frecvenŃă comune cu comunicaŃiile IEEE 802.11 (WiFi) putând genera interferenŃe, standardul s-a impus ca o soluŃie viabilă de conectare fără fir, de viteză redusă, din ce în ce mai răspândită, în special în domeniul sistemelor de automatizare, măsură şi control. 3.8 ComunicaŃii WiMAX, IEEE 802.16 Standardul IEEE 802.16 (2001) defineşte metode şi tehnologii de acces wireless la servicii de date într-o manieră mult mai performantă comparativ cu IEEE 802.11. Certificarea asociată acestui tip de comunicaŃii se numeşte WiMAX –Worldwide Interoperability for Microwave Access (la fel cum WiFi certifică comunicaŃiile 802.11) şi de aceea referirile la acest standard se fac de multe ori folosind, prin extensie, denumirea WiMAX. Acest tip de reŃele sunt cunoscute şi sub denumirea de Wireless MAN, reprezentând cel mai bun compromis viteză-mobilitate (figura 3.47). Tehnologia a fost propusă ca o extensie DSL fără fir oferind facilităŃi de transport de bandă largă pentru terminale mobile, intrând în competiŃie şi depăşind tehnologia 3G din acest punct de vedere. De fapt frecvenŃele de comunicaŃie WiMax sunt disputate deja de marii operatori de telefonie mobilă fiind asociate cu următorul pas după tehnologia 3G, cu posibilitatea de a oferi servicii de date pentru terminale fixe sau mobile, pe arii relativ largi (50 km) şi la costuri mai mici, cu condiŃia ca

Topologie stea Toplogie Mesh Topologie arborescentă

Figura 3.50 Topologii ZigBee

Dispozitiv coordonator de reŃea PAN

Dispozitiv cu funcŃionalitate completă, FFD

Dispozitiv cu funcŃionalitate redusă, RFD


147

terminalele mobile de comunicaŃie să ofere acces WiMAX. Tehnologia WiMAX permite rate de bit de până la 75 Mbps, pe canale cu lăŃimea de bandă de 20 MHz folosind modulaŃie QAM pe 64 de niveluri. FrecvenŃele definite de standardul IEEE 802.16 pentru WiMAX acoperă o gamă largă, de la 2 GHz la 66 GHz, dar alocările diferă de la o Ńară la alta. Primele implementări comerciale sunt în banda 3,6 – 3,8 GHz, estimându-se exploatarea, în următorii paşi, a benzilor de 2,4 sau 5,8 GHz. Având în vedere performanŃele pe care le oferă, WiMAX devine un concurent notabil şi pe piaŃa comunicaŃiilor mobile, oferind în mod tipic o rată de transfer de 10 Mbps pentru o distanŃă de 10 km. Există două abordări WiMAX:

- WiMAX fix, IEEE 802.16d, 2004: se referă la comunicaŃiile wireless fixe, iniŃial în banda 10 – 66 GHz pentru acces Internet de bandă largă cu vizibilitate radio directă (LOS – Line of Sight) şi ulterior şi în gama 2 – 11 GHz pentru conexiuni punct-multipunct fără vizibilitate radio directă (NLOS – Non Line of Sight); foloseşte Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) şi Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA).

- WiMAX mobil, IEEE 802.16e, 2005: acoperă comunicaŃiile wireless mobile; foloseşte Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) şi oferă garanŃii QoS (Quality of Services) pentru servicii sensibile la întârziere, cum este telefonia VoIP. Standardul IEEE 802.16 reglementează în principal subnivelul fizic (PHY) şi

subnivelul de acces la mediu (MAC). La subnivel PHY sunt suportate canale cu lărgimea de bandă de 1,25 MHz

până la 20 MHz cu 2048 de subpurtătoare, utilizându-se modulaŃii si codări adaptive: 64QAM în condiŃii de semnal puternic, 16QAM şi QPSK pentru semnal mediu sau BPSK pentru semnal slab. Este definită de asemenea utilizarea fluxurilor radio multiple prin tehnologia MIMO (Multiple In - Multiple Out) în scopul utilizării în condiŃii de lipsă de vizibilitate radio (NLOS) sau pentru creşterea lăŃimii de bandă. Pentru corecŃia erorilor se utilizează retransmisia automată hibridă HARQ - Hybrid Automatic Repeat Request.

La subnivel MAC standardul descrie subnivele de convergenŃă pentru

încapsularea datelor ce provin de la conexiunile cablate (Ethernet, ATM) clasificându-le corespunzător în scopul transferului pe canalul radio. Sunt incluse de asemenea tehnici de securizare a transferului folosind mecanisme dedicate şi chei de criptare precum şi soluŃii de control a puterii consumate (stări sleep / idle).

Unul din avantajele majore ale WiMAX este modul de alocare a canalelor. Aceste sunt asignate de către staŃia de bază staŃiilor client (orientare pe conexiune), ceea ce înseamnă că, în acest mod, este posibilă definirea unor priorităŃi de deservire de tip QoS şi de control a iniŃiativelor staŃiilor client. Sunt definite cinci clase QoS astfel:

- UGS (Unsolicited Grant Service) pentru transport E1/T1 în timp real cu pachete de date lungime fixă transmise la intervale periodice

- ertPS (Extended Real-time Polling Service) pentru transport VoIP în timp real cu pachete de lungime variabilă la intervale periodice

- rtPS (Real-time Polling Service) pentru transport MPEG video în timp real cu pachete de lungime variabilă la intervale periodice


148

- nrtPS (Non-real-time Polling Service) pentru transport ftp cu pachete de date de lungime variabilă tolerante la întârziere, cu garanŃie de bandă minimă

- BE (Best Effort) pentru transport http fără cerinŃe de prioritate. StaŃiile client negociază cu staŃia de bază clasa QoS corespunzătoare tipului

de trafic. PerformanŃele comunicaŃiilor WiMAX sub aspectul vitezei de transfer a datelor

şi a gradului de mobilitate oferit este prezentat, comparativ cu alte tehnologii, în figura 3.51.

3.9 Transmisiuni de date pe reŃelele de distribuŃie TV 3.9.1 Sisteme de transmisiune digitală CATV

Odată cu extinderea reŃelelor de distribuŃie a semnalului TV pe arii metropolitane extinse s-a pus problema de a difuza simultan şi servicii da date. Sistemul s-a numit CATV (Cable TV sau Community Antenna TV după unii autori). Prima problemă care a trebuit rezolvată a fost cea a transferului bidirecŃional deoarece semnalul TV era distribuit numai în sensul către beneficiar şi deci toate echipamentele erau adaptate acestui mod de lucru (amplificatoare unidirecŃionale). Pentru transmiterea de date pe cablu TV, banda de frecvenŃe a fost partajată renunŃându-se la unele frecvenŃe FIF (B1, B2) folosite anterior în distribuŃia programelor TV şi s-au definit canale de comunicaŃie bidirecŃională. Uzual banda alocată pentru download este între 50 MHz şi 750 MHz iar pentru upload între 5 şi 42 MHz în funcŃie de necesităŃi. Echipamentele pentru zone rezidenŃiale asigură debite binare de 3 - 15 Mbps pentru download şi 384 kbps până la 2 Mbps pentru upload. Principalul dezavantaj al acestei soluŃii de transport este faptul că, deoarece semnalul TV ajunge pe acelaşi cablu la mai mulŃi utilizatori, ei trebuie să partajeze aceeaşi lăŃime de bandă. Standardul iniŃial pentru transfer de date prin reŃelele CATV a fost CDLP, un standard proprietar Motorola, care asigură distribuŃia în radio frecvenŃă cu cale de întoarcere tot prin radiofrecvenŃă sau prin reŃeaua telefonică PSTN.

În prezent unul din cele mai răspândite standarde este DOCSIS - Data Over Cable Service Interface Specification. Prima versiune a fost elaborată în 1997

WiFi

WiMAX

HSPA

UMTS/3G GSM-2G

Mobilitate

Viteză transfer

Figura 3.51 Locul comunicaŃiilor WiMAX în familia comunicaŃiilor mobile


149

(ver.1.0), revăzută în 1999 (ver.1.1) şi completată în 2002 (ver.2.0) cu elemente QoS. ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector) a adoptat standardul sub forma recomandărilor J.1xx. Pentru Europa, utilizarea sistemului de televiziune PAL care alocă o bandă de frecvenŃe de 8 MHz pentru un canal TV spre deosebire de sistemul american NTSC care alocă 6 MHz, a impus realocarea benzilor de frecvenŃă utilizate, creându-se astfel standardul Euro DOCSIS. O nouă versiune, DOCSIS 3.0, este în dezvoltare.

DOCSIS acoperă nivelurile fizic (PHY) şi MAC ale stivei de protocoale OSI. LăŃimea de bandă recomandată este de 200 kHz până la 3,2 MHz pentru ver.1.0/ver.1.1 şi de 6,4 MHz pentru ver.2.0. ModulaŃia utilizată este 64-QAM sau 256-QAM pentru canalul downstream şi QPSK sau 16-QAM pentru canalul upstream (32/64/128-QAM fiind introduse de ver.2.0 şi pentru upstream de asemenea). Ca metode de acces la mediu se utilizează metoda divizării în timp TDMA - Time Division Multiple Access sau metoda divizării cu cod sincron S-CDMA - Synchronous Code Division Multiple Access.

Debitul binar asigurat este de 10 Mbps (ver.1.0, 1.1) sau 30,72 Mbps (ver.2.0) pentru upload şi 38 Mbps (folosind 256-QAM) pentru download. Datorită lăŃimii de bandă mai mari a canalelor TV europene, Euro-DOCSIS defineşte un download de 51 Mbps pe canal. Viteza efectivă oferită depinde de tehnologia utilizată şi de politica companiilor de cablu (în special numărul de utilizatori care partajează un stream up/down comun).

Echipamentele utilizate sunt modemurile de cablu, CM – cable modem, la capătul utilizatorului şi sistemul de terminare a modemurilor de cablu, CMTS - Cable Modem Termination System, la capătul furnizorului de servicii. La nivelul utilizatorului benzile de frecvenŃe şi serviciile corespunzătoare sunt separate de modemul de cablu. Un serviciu uzual de date oferit prin reŃelele CATV este telefonia digitală (VoIP) care, ca şi flux de date, nu suportă întârzieri şi decalaje şi necesită rezervarea unei lăŃimi de bandă prin tehnici QoS la capătul dinspre client, folosind tehnologie adecvată. Modemurile de cablu uzuale oferă interfeŃe standard de conectare: ieşire semnal TV, conector RJ45 (Ethernet), conector RJ11 (telefonie). 3.9.2 Transmisiuni teletext

O metodă relativ răspândită de transmitere de informaŃii text la distanŃă o reprezintă serviciul teletext. Acesta este asociat transmisiilor TV analogice şi exploatează intervalul de timp alocat stingerii cursei inverse pe cadre din semnalul video complex utilizat în difuzarea semnalului TV analogic. Transmisia se bazează pe difuzarea unidirecŃională continuă (broadcast) de informaŃii text şi oferă posibilitatea vizualizării informaŃiei respective pe ecranul receptoarelor TV dotate cu decodoare corespunzătoare. Teletextul este o comunicaŃie simplex. Există mai multe implementări teletext asemănătoare (Antiope pentru sistemul francez SECAM, Telidon folosit în Canada, Ceefax dezvoltat de compania britanică BBC, ORACLE - Optional Reception of Announcements by Coded Line Electronics susŃinut de asemenea de un grup de companii TV din Marea Britanie), însă versiunea europeană asociată standardului PAL şi cunoscută sub denumirea WST – World System Teletext este printre cele mai răspândite.

Caracterele sunt codate NRZ. Ele sunt în format ASCII (7 biŃi) şi au asociată o culoare definită pe 3 biŃi. Pe durata unei curse de stingere se transmit 41 de caractere, respectiv 41 x 7 = 287 biŃi/cursă. Pentru 25 de semicadre pe secundă


150

rezultă un număr similar de intervale de transmisie, deci se poate obŃine o rată de transmisie de 7,175 kbps. Debitul util este în realitate mai scăzut deoarece sunt necesare şi secvenŃe de sincronizare. InformaŃia teletext este organizată în cadre sau pagini, o pagina teletext conŃinând 24 de linii a câte 40 de caractere [21]. Atunci când utilizatorul selectează o anumită pagină, sistemul aşteaptă apariŃia identificatorului paginii respective în şirul de biŃi recepŃionaŃi, după care extrage, memorează şi afişează informaŃia respectivă. Deoarece transmisia este continuă şi ciclică este necesar ca numărul total de pagini să nu fie excesiv pentru a permite o rată de reînnoire a paginii (refresh) mai mică de 30 secunde. Teletextul este o metodă ieftină de transmitere a informaŃiilor şi din acest punct de vedere a fost, la un moment dat, un concurent pentru soluŃiile de tip Internet (news sau chiar pagini web la începuturile acestora) sau Minitel (un sistem de furnizare de informaŃii text pe linii telefonice dezvoltat în FranŃa în anii `80). Viteza scăzută de transfer informaŃional şi interactivitatea limitată sunt principalele sale dezavantaje. În plus, odată cu apariŃia televiziunii digitale, fluxurile da date au inclus şi canale de informare (gen EPG – Electronic Programe Guide, bazate pe standardul MHEG-5 sau Multimedia Home Platform.) ceea ce a determinat scăderea interesului pentru acest tip de comunicaŃie. Majoritatea trusturilor de televiziune au încetat în prezent difuzarea acestui serviciu având în vedere dezvoltarea soluŃiilor alternative mai performante de difuzare a unor informaŃii similare: tehnologiile Internet, fluxurile digitale dedicate folosite în televiziunea digitală sau a alte metode de informare rapidă. 3.9.3 Sisteme WiCa

Domeniul de acoperire al unui AP poate fi extins prin utilizarea unor antene de câştig ridicat sau având anumite particularităŃi de concentrare preferenŃială a puterii electromagnetice emise (lobi de emisie). Uneori acest deziderat se obŃine prin antene compuse sau folosind antene distribuite. O metodă de a modifica aria de acoperire a unui AP fără a creşte puterea de emisie constă în realizarea unei antene distribuite alcătuită din mai multe antene interconectate printr-un mediu de transport adecvat. În cazul în care infrastructura de conectare a acestora este reŃeaua de cablu coaxial utilizată pentru distribuŃie de semnal TV (CATV), se poate difuza semnalul radio la distanŃe rezonabile faŃă de locaŃia unde se află AP-ul către mai multe antene situate în locaŃii diferite, de-a lungul traseului CATV. Un astfel de sistem de distribuŃie a semnalului radio 802.11 pe reŃeaua CATV se numeşte WiCa - Wireless over TV Cable. Este evident ca în aceste situaŃii echipamentele CATV trebuie să permită transferul benzii de frecvenŃe de 2,4 GHz, adică să fie compatibile WiCa, având în vedere că banda uzuală de difuziune CATV se întinde până la 1 GHz. În figura 3.52 este prezentat principiul unui astfel de sistem. Semnalul RF al Access Point-ului este aplicat printr-un adaptor de impedanŃă (uzual de la 50 ohmi la 75 ohmi) unui sumator, împreună cu semnalul CATV. Sumatoarele şi distribuitoarele conŃin filtre trece-jos pentru CATV şi filtre trece-sus pentru semnalul 802.11. Unele distribuitoare pot să conŃină ieşiri de radiofrecvenŃă pentru conectarea de antene, realizând astfel o acoperire wireless locală. O aplicaŃie uzuală are în vedere asigurarea acoperirii wireless pe etaje diferite dintr-o clădire, deci pe verticală, cu un singur AP, având în vedere că antenele omnidirecŃionale utilizate au lobi de acoperire preponderent orizontali.


151

3.10 ComunicaŃii pe liniile de alimentare cu energie electrică, PLC Termenul PLC se referă la comunicaŃii pe infrastructura de alimentare cu energie electrică: Power Line Communication. Se mai utilizează denumirile PDSL (Power Line Digital Subscriber Line), PLT (Power Line Telecom) sau PLN (Power Line Networking). Atunci când lăŃimea de bandă este mare, PLC mai este numit şi BPL - Broadband over Power Line şi se referă în mod particular la distribuŃia de servicii Internet.

Fiind vorba de perechi de conductoare care ajung în toate locaŃiile unde există alimentare cu energie electrică, acestea ar putea fi folosite pentru a transmite semnale purtătoare pentru transportul datelor, în afara funcŃiei de bază de a transmite tensiuni de alimentare consumatorilor (figura 3.53). Liniile de alimentare cu energie electrică sunt extrem de eterogene şi nu sunt optime pentru comunicaŃii de date. IniŃial (1950) comunicaŃiile pe liniile de alimentare electrică foloseau frecvenŃe purtătoare joase, 100-900 Hz şi modulaŃii FSK. Tehnologii dezvoltate recent au permis utilizarea de frecvenŃe purtătoare peste liniile de alimentare cu electricitate de până la 80 MHz. La valori mari ale frecvenŃei purtătoare liniile de alimentare electrică nu mai pot fi folosite datorită caracterului lor eterogen şi impedanŃei variabile. Chiar şi în condiŃiile implementării unor soluŃii tehnice specifice, transmiterea de semnale RF pe conductoarele de alimentare cu energie electrică generează perturbaŃii şi interferenŃe în benzi de frecvenŃă destinate altor utilizări fiind la rândul lor afectate de comutaŃiile din reŃea. Din aceste motive comunicaŃiile PLC/BPL sunt contestate în mai multe medii, nu sunt standardizate, dar dezvoltarea lor este susŃinută de asociaŃii de agenŃi economici şi comerciali. Echipamentele utilizate se numesc cuploare PLC sau modemuri PLC. Debitele binare curente sunt de 2 - 4 Mbps fiind în studiu soluŃii pentru viteze de ordinul a 50 Mbps. Deşi standardele pentru acest mod de comunicaŃie nu sunt încă definitivate, modulaŃiile utilizate sunt similare celor folosite în reŃelele IEEE 802.11: DSSS şi OFDM. Se utilizează de obicei 84 de frecvenŃe purtătoare în gama

Access Point

TV�

AP

CATV

TV� TV� TV�

Splitter sumator RF

Splittere distribuitoare Splitter de capăt

Adaptor impedanŃă

��

�

Figura 3.52 Sistem WiCa


152

4,3 – 20,9 MHz pentru liniile de joasă tensiune şi în gama 30 – 50 MHz pentru liniile de medie tensiune. Metoda de acces la mediu este CSMA/CA.

ReŃelele PLC prezintă avantajul utilizării unei infrastructuri existente, dar

necesită soluŃii complexe de transport (de exemplu pentru transferul de date de pe o fază pe alta a unui sistem trifazat, filtre de separare şi reinserŃie) şi pentru rezolvarea problemelor generate de zgomotele de comutaŃie ce apar în liniile de alimentare. 3.11 Transmisiuni prin sateliŃi ComunicaŃiile prin satelit sunt un caz particular al transmisiunilor prin microunde. Unele aspecte ale acestor tipuri de transmisiuni au fost prezentate în capitolul referitor la mediile neghidate de transmitere a informaŃiei bazate pe microunde.

Satelitul este un releu intermediar. El recepŃionează semnalul de la o staŃie terestră ascendentă şi îl retransmite de obicei pe o arie largă de acoperire (figura 3.54). La nivelul sateliŃilor există un număr de transpondere, dispozitive care recepŃionează semnalul de la sol, îl amplifică şi îl re-emit către Pământ, modificând frecvenŃa purtătoare. SateliŃii pentru comunicaŃii sunt sateliŃi staŃionari la o altitudine de 35.800 km deasupra ecuatorului. Ei sunt alimentaŃi cu energie solară şi pot asigura câteva sute de canale simultane. StaŃiile terestre au o putere de emisie mare şi de aceea sunt plasate în afara zonelor perturbabile.

O legătură prin satelit, spre deosebire de cele terestre, este caracterizată de o

întârziere tipică minimă de 257 ms pentru fiecare sens de transmisie, în funcŃie de poziŃionarea faŃă de satelit. Deoarece în cazul recepŃiei mai mulŃi clienŃi sunt deserviŃi de un satelit sub unghiuri diferite de acoperire, rezultă că aceste întârzieri nu sunt fixe ridicând probleme deosebite în cazul aplicaŃiilor care se bazează pe transfer de date sensibile la întârziere (telefonie, de exemplu). Mai multe terminale pot utiliza aceleaşi facilităŃi, distribuŃia de semnal fiind simultană iar legătura fiind de tip multipunct. O staŃie terestră de transmisie poate să-şi monitorizeze emisia proprie, observând mesajele recepŃionate.

Cuplor PLC

Utilizator

Cuplor PLC

Furnizor Electricitate

Furnizor Servicii Internet Linie date

Linie date

Linie transport joasă (medie) tensiune

Canal de comunicaŃie

Figura 3.53 ComunicaŃii pe linii de alimentare cu energie electrică


153

SateliŃii geostaŃionari au un unghi de acoperire de 120 de grade ceea ce înseamnă că, teoretic, trei astfel de sateliŃi plasaŃi deasupra ecuatorului pot acoperi întreaga suprafaŃă terestră. ComunicaŃia cu un satelit geostaŃionar ridică însă problema puterii mari necesare la emiŃător, a dimensiunii antenei (parabola de minimum 0,5 m diametru) şi probleme legate de costurile de lansare şi întreŃinere. Ca alternativă se utilizează sateliŃi de joasă altitudine (700-1500Km) care pot fi utilizaŃi pe scară mai largă nefiind necesare puteri mari de emisie datorită distanŃei semnificativ mai reduse care trebuie acoperită. Problema care apare însă în acest caz este faptul că, nefiind sateliŃi geostaŃionari, durata maximă de acoperire a unei zone este de 15-20 minute. Din acest motiv este nevoie de o reŃea de sateliŃi care să acopere, pe rând, în permanenŃă, zonele de interes. Astfel de reŃele sunt ECCO, cu 12 sateliŃi ce evoluează la 2000 km altitudine, care acoperă latitudinile nordice şi sudice mai mari de 23°, GLOBALSTAR, cu 48 de sateliŃi ce evoluează la 1414 km altitudine şi poate acoperi zonele cu latitudini mai mici de 70°, IRIDIUM, cu 66 de sateliŃi, care evoluează la 780 km altitudine, cu acoperire globală (dezafectată în prezent datorită costurilor foarte mari de operare şi înlocuirii cu soluŃii GSM).

În cazul accesului la servicii Internet, la nivel de utilizator nu se justifică utilizarea unei instalaŃii de emisie către satelit şi din acest motiv soluŃia practică foloseşte un canal upload alternativ (pe linie telefonică, de obicei) cu download prin satelit. La nivelul satelitului se recepŃionează fluxul de date pe mai multe canale situate într-o bandă de frecvenŃe alocată legăturii ascendente, de la o staŃie terestră şi se redifuzează pe alte frecvenŃe, din banda pentru legături descendente. UnităŃile repetoare care realizează şi translarea canalului, aşa cum s-a arătat mai sus, se numesc transpondere. SateliŃii comerciali au 10-50 de transpondere fiecare asigurând astfel mai multe canale de comunicaŃie (de ordinul miilor în cazul canalelor telefonice). FrecvenŃele utilizate sunt în domeniul microundelor: 3 GHz – 30 GHz.

Tehnologiile de comunicaŃie prin satelit pornesc de la constatarea că nu toŃi utilizatorii transmit simultan şi deci ei vor putea partaja aceleaşi canale de comunicaŃie împrumutându-şi reciproc resursele neutilzate. Tehnicile de partajare

Orbită

Con de acoperire

Figura 3.54 Principiul comunicaŃiilor prin satelit

Nod terestru

SuprafaŃă terestră

ClienŃi

Downlink radio

Uplink terestru

Internet

Satelit de comunicaŃie


154

folosite sunt FDMA - Frequency Division Multiple Access şi TDMA - Time Division Multiple Access.

FDMA se referă la alocarea unor benzi de frecvenŃă independente pentru utilizatori. Dezavantajul metodei este acela că banda rămâne alocată în principiu şi când nu este utilizată, deci există o exploatare ne-eficientă a spectrului radio. O variantă optimizată a FDMA comută frecvenŃele conform cererilor utilizatorilor, similar cu comutaŃia circuitelor într-o centrală telefonică, sistemul fiind cunoscut sub denumirea DAMA – Demand Assignment Multiple Access.

În cazul TDMA utilizatorii beneficiază de sloturi de timp, multiplexate pe un canal de frecvenŃă unic, ceea ce conferă o utilizare mai avantajoasă a spectrului de frecvenŃe radio (figura 3.55).

În ultimii ani comunicaŃiile prin satelit sunt utilizate din ce în ce mai puŃin

pentru transmisiuni de date asociate serviciilor Internet. Unul din motive este faptul ca au devenit disponibile capacităŃi de transport pe fibră optică la preŃuri mult mai reduse. Un alt motiv este legat necesitatea unui canal uplink alternativ pentru asigurarea comunicaŃiei bidirecŃionale, ceea ce implică costuri suplimentare. De asemenea, o altă motivaŃie care a determinat marginalizarea comunicaŃiilor prin satelit în sfera Internetului este determinată de întârzierea mare pe care o implică acest mod de comunicaŃie, întârziere datorată timpului mare necesar undei electromagnetice să călătorească până la satelit şi înapoi. ApariŃia serviciilor media peste reŃelele IP (distribuŃie programe radio/TV interactive, telefonie VoIP) şi integrarea lor în familia serviciilor Internet nu a mai permis utilizarea metodelor de transport bazate pe întârzieri implicite semnificative.

Slot 1

Preambul

Figura 3.55 Structura unui cadru TDMA utilizat în transmisiunile prin satelit

125µs – 15 ms

Sloturi de timp

Slot 2

Câmp informaŃie

Timp de gardă

SecvenŃa sincronizare purtătoare / ceas

Start şi identificare secvenŃă

InformaŃii service

Cadrul 1 Cadrul 2 Cadrul 3 Cadrul m

... Slot n

Succesiune cadre

...


155

ComunicaŃiile prin satelit rămân o soluŃie eficientă pentru distribuŃie de

programe radio/TV la costuri reduse şi pe arii largi, atât pentru sistemul analogic cât mai ales pentru sistemul digital deoarece astfel se pot asigura rate ridicate de transfer binar care să acopere necesităŃile de difuzare a programelor TV digitale de înaltă rezoluŃie, HDTV (10-12 Mbps pentru un singur canal HDTV).

3.12 Tehnologii de comunicaŃie specifice la nivel WAN 3.12.1 Modul de transfer asincron, ATM

ATM - Asynchronous Transfer Mode este un sistem de transmisie orientat pe conexiune, care transportă pachete sau celule pe infrastructura reŃelei. Înainte de a iniŃia un transfer trebuie stabilită o cale (conexiune) în reŃea între punctele de capăt. Transmisia este asincronă deoarece momentul de început al transmisiei nu este predeterminat. Un pachet ATM (numit şi celulă) este o secvenŃă cu lungime fixă de 53 octeŃi, din care 48 sunt date utile şi 5 sunt octeŃi auxiliari constituind antetul - header. Structura unei celule ATM este prezentată în figura 3.56. Celula ATM este astfel diferită fundamental de cadrele de date de lungime variabilă folosite în reŃelele cu comutaŃie de pachete cum este Ethernetul.

Primul standard ATM a apărut în 1992, iniŃial ca o extensie ISDN, scopul principal fiind acela de a asigura o metodă de transport într-un format comun, universal, independent de tehnologie. Viteza este determinată de infrastructura de comunicaŃie şi de tipul reŃelei, dar structura formatului este fixă. ATM operează în special la nivelul MAN sau WAN oferind o modalitate scalabilă de transport. Sistemul este utilizat în reŃele DSL şi, deşi este uneori este privit doar ca o alternativă simplificată pentru transportul IP, oferă unele avantaje importante: transportă orice tip de informaŃie în aceleaşi condiŃii, suportă atât comutaŃia de circuite, cât şi comutaŃia de pachete, asigură parametri QoS într-un mod simplu. Deşi în multe domenii ATM a fost înlocuit cu Ethernet, el oferă avantaje evidente în transportul stream-urilor media deoarece pachetele au dimensiune fixă şi deci întârzierile sunt constante şi predictibile.

Un concept specific ATM se refera la căi virtuale - Virtual Path, VP care

identifică un grup de circuite virtuale şi circuite virtuale - Virtual Circuit, VC care identifică o conexiune între două staŃii ATM. Fiecare celulă ATM conŃine un indicator al căii virtuale (VPI) de 8 sau 12 biŃi şi un identificator al circuitului virtual de 16 biŃi. Lungimea VPI diferă pentru transmisii către capătul dinspre client sau către capătul dinspre reŃea. Asta înseamnă că vor exista două tipuri de headere:

- header pentru comunicaŃia cu nodul de reŃea, NNI - Network Node Interface - header pentru comunicaŃia cu nodul utilizator, UNI - User Node Interface. În cazul headerului UNI apare un subcâmp GFC – Generic Flow Control, prin

divizarea primului octet (figura 3.56). Echipamentele de transport modifică valorile câmpurilor de identificare a căii,

VPI – Virtual Path Identifier şi a circuitului, VCI – Virtual Channel Identifier, corespunzător căii urmate de celulă în reŃea. Antetul mai conŃine câteva câmpuri: tipul informaŃiei utile PTI - Payload Type Identifier, pentru specificarea tipului datelor, de control sau date utilizator, unele valori fiind rezervate pentru alte dezvoltări;


156

prioritatea celulelor pierdute CLP - Cell Loss Priority, indică dacă celula curentă poate fi pierdută sau nu şi câmpul pentru controlul erorilor de antet HEC – Header Error Control (CRC pe 8 biŃi).

Asigurarea unor valori QoS este posibilă în reŃelele ATM prin utilizarea

conceptului de „trafic contractat” care defineşte parametri asociaŃi conexiunii astfel: - CBR - Constant Bit Rate, pentru rata de transfer fixă - VBR - Variable Bit Rate, pentru rata de transfer specificată ca valoare medie - ABR - Available Bit Rate, pentru specificarea ratei minime garantate - UBR - Unspecified Bit Rate, pentru alocarea capacităŃii de transport rămase. În acest mod un comutator ATM (switch ATM) poate deservi mai multe legături

logice în moduri diferite. Arhitectura ATM conŃine trei nivele de referinŃă: nivel fizic, nivel ATM şi nivel de

adaptare (figura 3.57).

Câmp cu informŃii utile 48 bytes

Figura 3.56 Structura unui pachet (celulă) ATM

Bits

Antet 5 bytes

Control generic al fluxului GFC (numai UNI)

Identificator cale virtuală VPI

Identificator cale virtuală VPI

Identificator canal virtual VCI



Control erori antet HEC

Tip informaŃie PTI

CLP

1

2

3

4

5 1 2 3 4 5 6 7 8

Bytes

Lungime fixă a celulei ATM

Nivel adaptare ATM

Nivel ATM

Nivel fizic

Figura 3.57 Modelul de interconectare ATM

Punct de terminare ATM

Comutator ATM

Nivel fizic

Nivel ATM

Mediu WAN/MAN Mediu WAN/MAN

Nivel fizic

Nivel ATM

Nivel adaptare ATM

Nivel ATM

Nivel fizic



157

Nivelul fizic defineşte conectarea la mediul de comunicaŃie: perechi torsadate

ecranate sau neecranate, cablu coaxial, fibră optică. Nivelul ATM este un nivel de legătură de tip releu de date care adaugă sau

elimină antetul celulei ATM. Corespunde nivelului legătură de date din modelul ISO/OSI. El este responsabil cu construirea fluxurilor de celule, cu determinarea rutelor celulelor sau cu adăugarea de celule goale atunci când nu se transmit date. Rutarea se bazează pe canalele şi căile virtuale (VCI, VPI) definite în antetul celulelor ATM.

Rutarea celulelor ATM (figura 3.58) se face de către comutatoare (switch-uri) ATM şi depinde de tipul conexiunii:

- conexiune prestabilită, conexiune virtuală permanentă PVC – Permanent Virtual Connection

- conexiune configurată la cerere, conexiune comutată virtuală SVC - Switched Virtual Connection

Pot exista 256 de căi virtuale (corespunzător celor 8 biŃi VPI) fiecare acoperind

65.536 (216) conexiuni virtuale (identificate prin cei 16 biŃi VCI). Ca urmare rutarea ATM se face pe 2 nivele virtuale, cale şi conexiune. Atributul „virtual” este legat de

ATM

PHY

AAL

ATM

PHY

PHY

ATM

AAL

PHY

Punct terminare

ATM

Punct terminare

ATM Switch ATM

Voce Video Date

Voce Video Date

Figura 3.59 Arhitectura de interconectare ATM

Figura 3.58 Rutarea celulelor prin switch-uri ATM


Punct de terminare

ATM

1 3 2 4

VPI=1 VPI=2 VPI=3

Comutator ATM 1

Comutator ATM 1

VCI=1

VCI=2 VCI=4

VCI=3 1 3 2 4

Cale virtuală

VCI=6

VCI=5

Canal virtual

(3, 6) Tabel translare comutator ATM1

IN OUT Port VPI VCI Port VPI VCI 1 1 1 3 2 3 2 1 2 4 2 4


158

faptul ca semnificaŃia acestor rute există numai la nivelul comutatoarelor, care modifică în mod corespunzător câmpurile respective. Comutatorul ATM construieşte un tabel de rutare în care asociază porturi fizice cu căi virtuale ceea ce înseamnă că o singură intrare în tabel, pentru o cale, asigură 65.536 canale. Procedura se numeşte „aprovizionare” a reŃelei. Prin urmare canalele nu sunt rutate individual pentru că ele aparŃin unei căi. Comutatorul modifică totuşi câmpul identificatorului de canal creând o conexiune de canal virtual VCC - Virtual Channel Connection care reprezintă de fapt succesiunea de canale virtuale prin comutatoarele aflate de-a lungul traseului, succesiune stabilită în faza de apelare iniŃială.

În figura 3.59 este descrisă arhitectura de conectare ATM. Nivelul adaptare ATM (AAL - ATM Adaptation Layer) este nivelul superior în acest model. El se ocupă cu conversia formatului datelor şi identifică 4 clase de aplicaŃii, A, B, C, D. Corespunzător celor 4 clase de aplicaŃii există 4 tipuri de nivele de adaptare AAL – ATM Adaptation Layer: AAL 1, AAL 2, AAL 3(4), AAL 5.

Clasă AAL RestricŃii

timp transfer

Viteza de transfer

Tip conectare AplicaŃii

A AAL 1 Da Constantă CBR

Orientat pe conexiune

LăŃime de bandă şi debit binar garantat, destinat serviciilor voce/video

B AAL 2 Da Variabilă VBR

Orientat pe conexiune

LăŃime de bandă şi debit binar tip “best effort”,

destinat pentru video live, multimedia

C AAL 5 Nu Variabilă

ABR Orientat pe conexiune

Trafic tip “best effort” cu feedback asupra

congestiilor

D AAL 3 AAL 4 Nu

Variabilă UBR

Neorientat pe

conexiune

Trafic fără garanŃii

Tabelul 3.60 ParticularităŃile nivelului de adaptare ATM

În tabelul 3.60 sunt sintetizate principalele atribute ale nivelelor de adaptare

ATM, AAL. Nivelul de adaptare ATM corespunde nivelelor reŃea şi transport din modelul

ISO/OSI. 3.12.2 Tehnologia Token Ring, IEEE 802.5

ReŃelele Token Ring (inel cu jeton) au fost iniŃial dezvoltate de IBM în 1970 şi preluate ulterior ca standard IEEE 802.5. Spre deosebire de soluŃia IBM, IEEE 802.5 nu specifică însă topologia sau mediul de comunicaŃie utilizat, dar preia tehnologia jetonului (token), codarea Manchester diferenŃială sau rata de transfer de 4,16 Mbps. La nivel fizic este definită o arhitectură cu mai multe unităŃi de acces pentru staŃii multiple, MSAU (Multi Station Access Unit, figura 3.61), conectate în inel, la


159

fiecare din ele fiind ataşate staŃii client. UnităŃile de acces includ funcŃii de bypass pentru izolarea staŃiilor din inel. ReŃelele de tip Token Ring (IEEE 802.5) definesc o secvenŃă de date, un cadru, ca fiind jeton (token). Posesorul jetonului are dreptul de a transmite. O staŃie care primeşte jetonul şi nu are nimic de transmis îl trimite mai departe către următoarea staŃie. Timpul cât o staŃie poate să reŃină jetonul este limitat. StaŃia care are informaŃii de transmis sechestrează jetonul, modifică un bit al acestuia transformându-l într-o secvenŃă de început de cadru, adaugă informaŃia de transmis şi lansează secvenŃa către următoarea staŃie din inel. Pe durata cât cadrul respectiv circulă nu există alt jeton disponibil în reŃea, deci alte staŃii trebuie să aştepte. StaŃia destinaŃie primeşte şi extrage informaŃia transportată şi relansează cadrul mai departe, incluzând o confirmare a recepŃionării corecte, astfel încât acesta ajunge din nou la staŃia iniŃiatoare. În acest punct se verifică dacă informaŃia a fost citită de destinatar (care a modificat secvenŃa pentru a marca citirea) şi se reface jetonul. Spre deosebire de reŃelele Ethernet bazate pe CSMA/CD, reŃelele token-ring sunt deterministe deoarece se poate aprecia timpul de aşteptare până la următoarea transmisie a unei staŃii. Mai mult, coliziunile nu sunt posibile în aceasta tehnologie.

Tehnologia token-ring defineşte nivele de prioritate folosind câmpurile de

prioritate şi câmpurile rezervate din structura cadrului. Acestea permit unor staŃii să transmită mai des decât altele. Doar staŃiile care au un nivel de prioritate mai mare sau egal decât prioritatea precizată în câmpul jetonului pot să îl reŃină şi să iniŃieze o transmisie. StaŃiile care au prioritate mai mare decât cadrul vehiculat la un moment dat pot să îl reŃină şi să genereze un alt jeton, de prioritate superioară. După ce rezolvă transmisia proprie, cadrul iniŃial reŃinut este relansat cu nivelul de prioritate iniŃial.

Pentru compensarea erorilor de comunicaŃie IEEE 802.5 propune mecanisme de management a erorilor. Acestea se bazează pe o staŃie oarecare definită ca monitor activ şi care acŃionează ca o sursă centralizată de informaŃii de timp pentru celelalte staŃii. De asemenea staŃia monitor elimină cadrele care circulă la nesfârşit prin reŃea (datorită defectării staŃiei iniŃiatoare după lansarea cadrului) generând un nou jeton dacă este cazul.

in 1 2 3 4 5 6 7 8 out

MSAU

staŃii

in 1 2 3 4 5 6 7 8 out

MSAU

staŃii

in 1 2 3 4 5 6 7 8 out

MSAU

staŃii

in 1 2 3 4 5 6 7 8 out

MSAU

staŃii

conexiuni de legătură

Figura 3.61 Structura unei reŃele Token Ring


160

La nivelul MSAU se pot genera teste pentru staŃii care să permită eliminarea (prin bypass) a celor care nu răspund. Pentru a identifica şi alte tipuri de probleme este implementat şi un algoritm de balizare (beaconing algorithm) care defineşte un domeniu impropriu transmisiei. StaŃiile din interiorul acestui domeniu iniŃiază proceduri de auto-reconfigurare bazate pe funcŃii de diagnosticare şi refacere optimă a reŃelei în jurul zonei afectate.

IEEE 802.5 suportă două tipuri fundamentale de cadre: cadru jeton şi cadre

de date/comandă. Jetonul conŃine 3 octeŃi şi include un delimitator de început (start), un octet de

control al accesului şi un delimitator de sfârşit (end). Cadrele de date/comandă variază ca dimensiune a câmpului de informaŃii (figura 3.62). Cadrele de date transportă informaŃii pentru protocoalele de nivel superior în timp ce cadrele de control nu interacŃionează cu acestea.

Câmpurile cadrului jeton şi ale cadrului date/comandă sunt prezentate mai jos (figura 3.62).

• Delimitator de start – alertează staŃiile despre sosirea unui cadru, include detectarea violărilor de codare

• Octetul pentru controlul accesului – conŃine câmpul de priorităŃi (3 biŃi, cei mai semnificativi) şi câmpul pentru rezervări (cei mai puŃin semnificativi 3 biŃi) precum şi bitul de marcare a jetonului şi bitul de monitorizare a ciclării

• Delimitator de sfârşit – semnalizează sfârşitul cadrului, conŃine biŃi care indică deteriorarea informaŃiei şi identifică ultimul cadru dintr-o secvenŃă logică.

Cadrul de date/comandă conŃine în plus următoarele câmpuri: • OcteŃi pentru controlul cadrelor – specifică dacă un cadru conŃine date sau

informaŃii de control (şi tipul lor) • Adresa destinaŃie şi sursă – constă în 6 octeŃi de adresă pentru identificarea

sursei/destinaŃiei • Date – indică dacă apar limitări datorate depăşirii timpului de reŃinere a

jetonului • SecvenŃa de verificare a cadrului FCS, Frame-Check Sequence – conŃine

secvenŃa de verificare a erorilor • Starea cadrului – are lungimea de un octet şi include indicatorul de

recunoaştere a adresei şi de copiere a conŃinutului.

Figura 3.62 Structura unui cadru comandă/date Token Ring

Lungimea câmpurilor in bytes:

Delimitator Start

1 1 1 6 6 18200 4 1 1

Token

Control acces

Control cadru

Adresă destinaŃie

Adresă sursă

Date FCS Delimitator End

Stare cadru

Cadru de date / comandă

Delimitator Start

Control acces

Delimitator End


161

3.12.3 InterfaŃa de date distribuită pe fibre optice, FDDI

FDDI - Fiber Distributed Data Interface se foloseşte în reŃele cu rate de transfer de 100 Mbps pe distanŃe mari, de ordinul a 200 km. Spre deosebire de Ethernet, FDDI foloseşte cadre de dimensiune mai mare ceea ce asigură o încărcare mai eficientă a canalului ca şi debit binar util. FDDI se bazează pe o topologie de tip inel dublu cu două sensuri de comunicaŃie, ilustrată în figura 3.63. Controlul traficului se face prin tehnologia jetonului.

O staŃie de acces este conectată în principiu la ambele căi ale inelului: prin portul A se conectează la calea primară, iar prin portul B la calea secundară. Gestiunea circulaŃiei informaŃiei se realizează prin intermediul unui jeton (token) care este generat de staŃia principală. Când o staŃie doreşte să transmită date, preia token-ul şi lansează un cadru FDDI, după care redifuzează token-ul în inel.

FDDI este o tehnologie considerată a fi o îmbunătăŃire a reŃelei Token Ring, deci tot inel cu gestiunea traficului prin tehnica jetonului. ReŃeaua FDDI are însă o topologie logică cu două inele. Acest lucru înseamnă că a mai fost adăugat încă un inel pentru a îmbunătăŃi fiabilitatea reŃelei. Dacă unul dintre inele nu mai funcŃionează, o gazdă poate folosi celălalt inel. Dacă nici cel de-al doilea inel nu funcŃionează, nici reŃeaua nu va mai funcŃiona. Având în vedere că şansele ca ambele inele să nu funcŃioneze în acelaşi timp sunt mai mici decât în cazul unui singur inel, reŃeaua FDDI este mai fiabilă decât reŃeaua Token Ring. ReŃelele FDDI sunt folosite în cazurile în care fiabilitatea şi necesitatea determinării momentului exact când unei gazde îi vine rândul să transmită sunt extrem de importante, de exemplu în reŃelele private ale companiilor.

Pe lângă faptul că FDDI nu poate rezolva complet problema fiabilităŃii mai are şi

un alt dezavantaj şi anume costul ridicat. În aceste reŃele este folosită fibra optică şi cum există două inele care trebuie cablate, preŃul este mai mare decât al altor soluŃii. În tabelul 3.64 sunt rezumate principalele caracteristici FDDI.

A

B BIDI

A

B BIDI

A

B BIDI

A

B BIDI A

B BIDI

Sistem Master

Figura 3.63 Topologia FDDI

Cale primară Cale secundară

Dispozitive de reŃea cu interfaŃă bidirecŃională


162

SpecificaŃiile FDDI Viteză 100 Mbps Lungimea maxima a cablului 2000 m Codare 4B/5B Metodă de acces transfer jeton

Tabelul 3.64 SpecificaŃiile FDDI

Metoda de codare utilizată de reŃelele FDDI este 4B/6B: patru biŃi sunt codaŃi ca

cinci biŃi (de exemplu 0110 este codat ca 01110). Această metodă de codare are avantajul reducerii numărului de tranziŃii utilizate de codarea Manchester şi deci reducerea benzii de frecvenŃă ocupate.

Există însă şi o variantă mai ieftină a reŃelei FDDI, CDDI - Copper Distributed Data Interface care, după cum sugerează şi denumirea, foloseşte perechi conductoare din cupru în locul fibrei optice.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) a fost elaborat de ANSI - American National Standard Institute şi propus de comitetul de lucru ASC X3T9.5. Acest standard specifică regulile pentru controlul accesului la mediu MAC (Media Access Control) şi nivelele fizice pentru o reŃea locală de 100Mbps LAN, folosind fibre optice ca mediu de transmisie. Topologia implicită este de tip inel (ring) cu controlul legăturii din punct de vedere logic prin nivelul LLC, Logical Link Control. Pentru că are bandă de transfer mult mai mare, o altă utilizare obişnuită este cea de magistrală principală (coloană vertebrală, backbone) pentru conectarea LAN-urilor realizate cu perechi conductoare de cupru.

Protocolul pentru controlul accesului la mediu se bazează pe tehnica transferului jetonului, multiplexat în timp, TTP (Timed Token Passing), care diferă prin câteva elemente de protocolul tip token - ring (IEEE 802.5). Aşa cum s-a arătat, FDDI se bazează pe două inele de comunicaŃie, inelul primar şi inelul secundar. Ultimul constituie o unitate redundantă, proiectată să preia funcŃiile sistemului în cazul în care inelul principal este scos din funcŃiune. Atunci când apare o avarie a unei reŃele circulare. Într-un LAN tip FDDI, fluxul datelor iniŃiat în cadrul inelului secundar are sens contrar celui din inelul primar.

FDDI se caracterizează printr-un management distribuit. Arhitectura FDDI este ilustrată în figura 3.65. Se constată că aceasta diferă de modelul clasic de referinŃă ISO/OSI, prin aceea că atât nivelul fizic, cât şi nivelul legătură date sunt divizate în două subniveluri.

Subnivelul superior al nivelului legătură date, LLC sau controlul legăturii logice,

este definit de standardul IEEE 802.2. Atât subnivelul legăturii de date, cât şi subnivelurile legăturilor fizice sunt definite de FDDI astfel:

• PMD - Physical Medium Dependent sau standardul nivelului fizic, dependent de mediu, dă definiŃia mediului şi a conecticii utilizate;

• PHY - Physical Layer sau standardul protocolului de nivel fizic descrie modul de codificare a datelor necesare pentru o transmisie corectă şi fiabilă, generarea semnalelor de ceas, definirea buffer-elor de memorie etc.

• MAC - Media Accesss Control sau standardul de control a accesului la mediu dă definiŃia protocoalelor utilizate pentru accesul la reŃea, manipularea cadrelor de date şi controlul erorii;

• SMT - Station Management Standard sau standardul managementului staŃiei descrie protocoalele pentru managementul funcŃiilor PMD, PHY şi MAC.


163

Cadrul de date FDDI este similar cu cel folosit în reŃelele Token Ring şi are

lungimea maximă de 4500 octeŃi, mult mai mare decât cadrul Ethernet. Topologia FDDI este una duală, proiectată astfel ca eşecul unei legături să

conducă la reconfigurarea reŃelei astfel încât să se menŃină conectivitatea logică. StaŃiile pot fi conectate în câteva moduri diferite:

• Conectare la un singur inel (inel primar); astfel de staŃii sunt numite staŃii ataşate singular sau SAS - Single Attachment Station. În categoria SAS intră de obicei staŃiile gazdă.

• Conectare la două inele; în acest caz vorbim de staŃii ataşate dual sau DAS - Dual Attachment Station. Conectarea DAS este specifică echipamentelor care se ocupă cu gestiunea traficului (rutere).

• StaŃiile pot fi de asemenea conectate cu ajutorul unui concentrator, figura 3.66. Acesta poate fi fie un concentrator de ataşare duală sau DAC - Dual Attachment Concentrator, fie un concentrator de ataşare singulară sau SAC - Single Attachment Concentrator.

Conectarea staŃiilor la inelul FDDI prin intermediul concentratoarelor poate fi

privită ca o topologie de tip inel dublu la care sunt ataşate topologii arborescente (figura 3.66).

Aşa cum s-a arătat, reŃeaua FDDI se bazează pe transferul unui jeton pentru a acorda staŃiilor permisiunea de a transmite date. StaŃiile sunt utilizatori conectaŃi la inelul FDDI. Concentratoarele asigură conectarea unui lot de staŃii sau altor concentratoare.

Cele mai importante domenii de aplicaŃie FDDI în acest moment sunt LAN-urile

back-end, LAN-urile de viteză ridicată (HSLAN), reŃelele de birou de viteză ridicată, precum şi canalele de conectare de tip coloană vertebrală sau backbone.

ReŃelele locale back-end sunt utilizate în centrele de comunicaŃii de date pentru

conectarea calculatoarelor principale la dispozitive de stocare a informaŃiei de capacităŃi foarte mari. Scopul unor astfel de sisteme de transmisie back-end este legat de posibilitatea de vehiculare a unor cantităŃi mari de date între un număr mic de staŃii, situate într-o arie restrânsă. Fiabilitatea înaltă, calitate majoră a FDDI-ului, este de extremă importanŃă pentru asemenea conexiuni. De asemenea sunt

Managementul

StaŃiei SMT


Nivel fizic

ISO / OSI


Nivel fizic (PHY)

Controlul legăturii logice LLC IEEE 802.2

Nivel fizic dependent de mediu (PMD)

Figura 3.65 Arhitectura FDDI

FDDI


164

necesare viteze mari de transmisie (peste 50 Mbps), aceste cerinŃe neridicând însă nici o problemă pentru FDDI. Pentru asigurarea fiabilităŃii, este preferat un MAC distribuit. Din aceste motive FDDI-ul este o alegere bună ca reŃea de tip back-end. Cele mai multe dintre staŃii sunt de tip DAS. Protocolul MAC trebuie să asigure un dialog tip multicadru între două staŃii, astfel ca o mare cantitate de date să poată fi vehiculată cu rapiditate.

ReŃele de birou de înaltă viteză sunt utile pentru interconectarea unui număr

relativ mare de terminale de joasă viteză. Pornind de la standardele IEEE 802, pot fi construite reŃele la preŃuri scăzute. Serviciile de date actuale (procesoare de documente sau imagini, aplicaŃii grafice etc.) impun pentru transmisia de date o viteză ridicată. În asemenea cazuri, FDDI poate fi folosit ca backbone. În scopul de a economisi resurse, se poate utiliza o reŃea FDDI de tip inel primar, conectându-se doar staŃii SAS.

ReŃele locale backbone pentru interconectarea LAN sunt o altă aplicaŃie FDDI. Creşterea explozivă a pieŃei PC-urilor şi distribuŃia aplicaŃiilor de proces determină necesitatea utilizării de strategii pentru o reŃea cât mai flexibilă. Toate resursele şi echipamentele trebuie să fie interconectate prin legături de viteză. LAN-uri mici şi ieftine pot fi interconectate într-o reŃea backbone de înaltă viteză, caz în care FDDI este una din soluŃii.

FDDI în forma sa iniŃială a început să piardă teren datorită costului mai ridicat,

lipsei de compatibilitate cu tehnologiile LAN aflate în expansiune, dar şi concurenŃei altor tehnologii de comunicaŃie. O parte din caracteristicile FDDI au fost preluate de tehnologia DQDB - Distributed Queue Dual Bus.

Concentrator

SAS SAS SAS

DAS

Inel dublu

Arbore

Figura 3.66 Conectarea staŃiilor la inelul FDDI


165

3.12.4 Magistrală duală cu coadă distribuită, DQDB Magistrala duală cu coadă distribuită sau DQDB - Distributed Queue Dual Bus

este standardizată prin reglementarea IEEE 802.6. DQDB implementează o reŃea de viteză ridicată, uzual de 150 Mbps, pe distanŃe de până la 160 km, pe fibră optică cu lungimea de undă a radiaŃiei purtătoare de 1310 nm. DQ - Distributed Queue sau coadă distribuită înseamnă că informaŃia va fi transmisă sub forma unei cozi, dar, în loc de a alimenta o coadă pentru fiecare staŃie, este definită doar o coadă pentru toate staŃiile ce fac parte dintr-o subreŃea. Toate informaŃiile importante despre această coadă sunt păstrate la nivelul fiecărei staŃii sub forma unei perechi de variabile de stare care reflectă poziŃia nodului în cadrul cozii şi lungimea acesteia. DB - Dual Bus sau magistrală duală indică faptul că două magistrale unidirecŃionale sunt folosite pentru transmisia datelor, astfel că transmisia este full duplex. SubreŃeaua DQDB este o reŃea multi-acces, distribuită, aceasta suportând comunicaŃii integrate:

• Transfer de date non-conectiv. • Transfer de date orientat pe conexiune. • ComunicaŃii izocrone. Structura unei magistrale duble de viteză mare, la care au acces mai multe

staŃii în scopul de a schimba pachete de date una cu cealaltă este prezentată schematic în figura 3.67.

Magistrala este un mediu de comunicaŃie partajat între staŃii. Acest principiu

este folosit de asemenea în standardele LAN (Ethernet, token bus, token ring). Datorită protocolului MAC (Media Access Control) din LAN-uri, încărcarea magistralei sau a inelului nu atinge niciodată procentul de 100%. Protocolul DQDB permite încărcarea la aproape 100% a mediului partajat.

DQDB implementează un algoritm de acces la mediu, MAC DQDB care a fost

acceptat de IEEE ca fiind baza protocoalelor MAN, sub forma prevederilor IEEE 802.6. DQDB defineşte cadre având câmpuri cu lungimea de 48 de octeŃi pentru date şi de 5 octeŃi pentru header, adică similar cu celulele ATM.

Sunt evidenŃiate două principii de acces: • QA - Queue Arbitrated sau coadă arbitrată, folosit la transporturile de date

non-conective.

nod

Generarecadre

...

magistrală A

magistrală B

Figura 3.67 Principiul DQDB

Generarecadre

nod

nod

Anihilare cadre

Anihilare cadre


166

• PA - Pre-arbitrated Access sau acces pre-arbitrat, oferind un serviciu izocron staŃiilor conectate; durata cadrelor este de 125 µs cu frecvenŃa de succedare de 8 kHz, ceea ce înseamnă 64 kbps (pentru 1 octet / frame) sau 3 Mbps (pentru 1 slot / frame).

Structura reŃelei

Legăturile DQDB pot fi configurate în una din variantele următoare: punct la punct (point to point), magistrală deschisă (open bus) sau ca o configuraŃie circulară, în buclă (looped configuration) (figura 3.68). Într-o conexiune circulară oricare din nodurile conectate poate prelua funcŃiile de generare / anihilare cadre, devenind capăt de magistrală logică.

Deoarece magistrala transportă şi sloturi izocrone, la nivelul nodurilor pot fi

inserate secvenŃe de sincronizare. De obicei o MAN este formată prin interconectarea unor subreŃele client cu

topologii şi viteze de operare diferite, aşa cum este sugerat în figura 3.69. Utilizarea unei metode de conectare bazată pe tehnica comutării de pachete de tip non-conectiv face posibil acest lucru fără a fi necesare interfeŃe dedicate la nivelul reŃelelor conectate. Acest mod de interconectare este obŃinut cu ajutorul unor punŃi MAN (MAN bridge) pentru interconectarea LAN-urilor de acelaşi tip sau cu ajutorul unei porŃi MAN (MAN gateway) pentru interconectarea LAN-urilor diferite.

Puntea translatează adresa MAC destinaŃie într-un număr care defineşte destinaŃia, încapsulează întregul pachet LAN într-un pachet de reŃea şi îl direcŃionează prin MAN către destinaŃie. O poartă (gateway) poate lucra cu LAN-uri, având diferite proceduri de adresare MAC prin utilizarea unui protocol Internet cum ar fi DOD IP la nivelul superior al reŃelelor heterogene utilizate: terminalul expeditor dă o adresă de destinaŃie IP, poarta o transformă într-o adresă de destinaŃie MAN, şi în final poarta destinatară transformă adresa IP într-o adresă de destinaŃie MAC.

Întrerupere Refacere

Conexiune punct-la-punct Conexiune tip magistrală deschisă

Conexiuni circulare

Figura 3.68 Structura unei reŃele DQDB


167

Serviciul de reŃea oferit de către MAN este comutatorul de pachete tip

nonconectiv obŃinut prin folosirea unui protocol de nivel reŃea, Q3, la elementele reŃelei EGW/CNIU. Protocolul Q3 funcŃionează în vârful stivei de protocoale ale subreŃelei DQDB. El este un protocol proprietar şi asigură rutarea datagramelor pe baza adresei MAN, odată cu afişarea, autentificarea, încărcarea, politica transferului şi adresarea de grup.

Pentru utilizatorii din sfera afacerilor sunt oferite şi servicii izocrone prin legături de 34 sau 45 Mbps, existând şi posibilităŃi de a utiliza canale de 64 kbps, pentru această lărgime de bandă utilizându-se sloturi PA. MAN se comportă astfel ca o încrucişare de reŃele, rutând canale într-un mod semipermanent. În plus, semnalizarea canalelor este direcŃionată de-a lungul reŃelei prin canale de 64 kbps. Este de asemenea posibilă direcŃionarea semnalizării pentru canalul D (utilizat în ISDN).

Deşi serviciile izocrone nu sunt „împachetate” ca în cazul ATM (utilizate în

BISDN), sincronizarea de 125 µs şi caracteristicile de întârziere sunt păstrate. În acest fel această soluŃie poate fi văzută ca o soluŃie de tip ATM. DQDB (ca şi FDDI) sunt tot mai puŃin utilizate datorită existenŃei şi dezvoltării unor alternative de transport mai performante: ATM, Metropolitan Ethernet, MPLS - Multi Protocol Label Switching. 3.12.5 ReŃele MPLS

O soluŃie de transport a datelor care operează între nivelul 2 – legătură de date şi 3 - reŃea al modelului ISO/OSI (motiv pentru care mai este numit şi protocol de nivel 2,5) este MPLS - Multi Protocol Label Switching. MPLS este un protocol pentru comunicaŃii bazate pe comutaŃia de pachete, unitatea de date folosită find datagrama. MPLS preia principiile ATM aducând îmbunătăŃiri în sensul reducerii datelor overhead prin utilizarea de cadre de lungimi mari (optime pentru reŃelele

140 Mbps

34 Mbps 34 Mbps

34 Mbps 34 Mbps

ReŃea client

ReŃea transpport client client

Figura 3.69 Interconectarea DQDB a subreŃelelor client

ReŃea client

ReŃele client


168

optice de viteză) şi de lungime variabilă. Sunt definite şi metode de control a traficului preluate de la ATM, prin plasarea controlui în afara benzii utile.

Principiul de funcŃionare MPLS se bazează pe etichetarea pachetelor folosind o secvenŃă numită etichetă stivă alcătuită din 4 câmpuri: valoare (20 biŃi), prioritate QoS (3 biŃi), indicator de capăt de stivă (1 bit) şi un câmp pentru definirea timpului de viaŃă al cadrului, TTL – time to live, (8 biŃi).

Comutarea pachetelor marcate cu astfel de etichete este mult mai rapidă decât alte soluŃii ( de exemplu comparativ cu cele bazate pe tabelele IP). Accesul la reŃelele MPLS este realizat prin rutere de capăt (LER – Label Edge Router) care introduc (push) sau extrag (pop) eticheta asociată unui pachet de date. Rutarea pachetelor pe baza etichetelor este asigurată de rutere dedicate LSR – Label Switch Routers. În reŃelele MPLS se definesc căi de comutare a pachetelor etichetate LSP – Label Switch Paths, care permit definirea explicită a căilor ce trebuie urmate de pachetul de date. Ruterele (LER şi LSR) schimbă informaŃii de etichetare între ele pe baza unui protocol dedicat de distribuŃie LDP – Label Distribution Protocol.

Datorită facilităŃilor de rutare explicită existente, MPLS permite crearea de reŃele virtuale tip VPN. În acest scop ruterele MPLS operează asupra etichetelor prin operaŃiuni de tip swap (substituirea etichetei cu o alta), push (o noua etichetă este ataşată în faŃa celei existente, operaŃiune echivalentă cu încapsularea) sau pop (eticheta frontală este extrasă, expunând eticheta iniŃială, operaŃiune echivalentă cu decapsularea). Acest principiu face ca ruterele să nu analizeze conŃinutul pachetului transmis, ci doar ultima etichetă aplicată, operaŃiune simplă şi foarte rapidă. Eliminarea completă a etichetelor readuce secvenŃa la formatul anterior (de exemplu un pachet IP), ceea ce conferă soluŃiei MPLS posibilitatea de oferi căi de transport rapide şi flexibile pentru alte tehnologii (Ethernet, ATM, TCP/IP).

MPLS este o soluŃie performantă şi flexiblă ce poate substitui sau completa tehnologiile existente în ceea priveşte interonectarea reŃelelor de nivel superior.

Documents

3. SISTEME PENTRU TRANSMISIUNI DE DATE 3.1 Tehnologii de ...stud.usv.ro/~nitco/anII/RLC/RC_c3.pdf · Sisteme pentru transmisiuni de date 79 3. SISTEME PENTRU TRANSMISIUNI DE DATE