Tipuri de comunicatii

Comunicaţia într-o reţea de calculatoare este realizată, de regulă, folosindu-se unul dintre cele două concepte de bază: comutarea pe bază de circuite sau comutarea pe bază de pachete.
Diferenţa esenţială între aceste două abordări este următoarea: în reţelele bazate pe comutare de circuite, resursele necesare de-a lungul unei rute din reţea pentru comunicaţia dintre sistemele terminale sunt rezervate pe toată durata sesiunii de comunicaţie, în timp ce în reţelele bazate pe comutare de pachete, acestea nu sunt rezervate. În acest ultim caz, sistemele solicită resurse atunci când au nevoie de ele, de aceea pot fi introduse într-o coadă de aşteptare pentru a avea acces la resurse.
Reţelele telefonice clasice sunt exemple de reţele bazate pe comutare de circuite. Înainte ca cineva să trimită informaţia (voce sau fax) folosind reţeaua telefonică, aceasta trebuie să stabilească într-o primă fază o conexiune între expeditor şi destinatar, conexiune care se numeşte circuit. Atunci când acest circuit este creat, se rezervă o rată de transmisie constantă pe toată durata conexiunii. Această rezervare permite expeditorului să trimită date destinatarului la o viteză constantă garantată.
Spre deosebire de reţeaua telefonică clasică, reţeaua Internet este, în principal, bazată pe comutare de pachete. Ca şi în cazul comutării de circuite, informaţiile sunt transmise de-a lungul unor legături de comunicaţie. În cazul comutării de pachete, pachetele de date sunt transmise în reţea fără rezervarea prealabilă a unei lăţimi de bandă şi fără a se stabili o viteză garantată de transfer. Dacă una din legături este congestionată din cauza altor pachete de date care trebuie transmise pe aceeaşi rută în acelaşi timp, atunci pachetele de date trebuie să aştepte într-o memorie tampon la capătul liniei de transmisiune şi în acest caz va apărea o întârziere în transmiterea pachetelor de date. Internetul „face” tot posibilul pentru transportul datelor la destinaţie în cele mai bune condiţiuni, dar nu oferă nici un fel de garanţie că acest lucru se va întâmpla. Acest sistem de transport de date se numeşte transport best effort.
Trebuie să remarcăm faptul că nu toate reţelele de telecomunicaţii pot fi clasificate drept reţele bazate numai pe comutare de circuite sau numai pe comutare de pachete. Spre exemplu, într-o reţea ATM o conexiune poate să facă o rezervare a resurselor şi totuşi trebuie să aştepte în cazul apariţiei unei congestii.

Comutare de circuite
În Figura 1.5, cele trei comutatoare de circuite sunt interconectate prin intermediul a două legături; fiecare dintre acestea foloseşte n circuite, astfel încât fiecare legătură de comunicaţie poate avea n comunicaţii simultane. Sistemele terminale sunt direct conectate la unul dintre aceste comutatoare iar unele pot avea acces analog la comutatoare iar altele acces digital. În cazul accesului analog, este necesar un modem pentru acces. Atunci când două sisteme vor să comunice între ele, reţeaua stabileşte un circuit dedicat capăt-la-capăt (end-to-end) între cele două sisteme terminale (sunt posibile totuşi şi comunicaţii între mai multe sisteme terminale – apelurile gen conferinţă). Fiecare legătură având n circuite, fiecare circuit dedicat capăt-la-capăt va primi o cotă de 1/n din lăţimea de bandă totală pe durata comunicaţiei.
Un circuit din cadrul unei legături de comunicaţie este implementat folosindu-se fie multiplexarea prin divizarea frecvenţei (FDM – Frequency Division Multiplexing), fie multiplexarea prin divizarea timpului (TDM – Time Division Multiplexing). În cazul multiplexării FDM, spectrul de frecvenţă al unei legături este împărţit între conexiunile stabilite de-a lungul legăturii. În reţelele telefonice, această bandă de frecvenţă are de regulă mărimea de 4 KHz. Lăţimea de bandă se mai numeşte bandwidth. Staţiile de radio FM folosesc de asemenea, tehnica FDM pentru a partaja spectrul de frecvenţă al microundelor.
Tendinţa actuală în telefonie este de a înlocui tehnica FDM cu tehnica TDM. În cazul tehnicii TDM timpul este divizat în cadre de durată fixă şi fiecare astfel de cadru este divizat într-un număr fix de cuante de timp. Atunci când reţeaua stabileşte o conexiune de-a lungul unei legături de comunicaţie, aceasta dedică o cuantă de timp din fiecare cadru conexiunii. Aceste cuante de timp sunt dedicate pentru uzul exclusiv al acelei conexiuni, iar o cuantă de timp (pentru fiecare cadru) este disponibilă pentru transmiterea datelor.
Figura 1.6 prezintă un exemplu de multiplexare FDM: domeniul de frecvenţă este împărţit într-un număr fix de circuite, fiecare având o lăţime de bandă de 4 KHz. Pagina 10 d in 29
4 KHz 4 KHz Legătura de comunicaţie
Figura 1.6 Multiplexare prin divizarea frecvenţei (FDM)
În cazul multiplexării prin divizarea timpului (Figura 1.7), domeniul timp este împărţit în 5 circuite, fiecare circuit având dedicată o cuantă de timp pentru fiecare cadru (frame) TDM. Toate cuantele care au acelaşi număr sunt dedicate unei anumite perechi emiţător-receptor.
Rata de transmisie în acest caz se obţine înmulţind rata transmisiei unui cadru cu numărul de biţi dintr-o cuantă TDM. De exemplu, dacă legătura permite o transmisie la o rată de 4000 de cadre pe secundă şi fiecare cuantă are 8 biţi, atunci rata transmisiei este de 32.000 (32 Kbps) de biţi pe secundă (în telecomunicaţii 1Kb ≈ 1000 biţi).
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Cuantă TDM Cadru
Figura 1.7 Multiplexare prin divizarea timpului (TDM)
1.4.2. Comutare de pachete
Protocoalele care stau la baza comunicaţiei dintre aplicaţii folosesc, de regulă, schimbul de mesaje. Mesajele conţin informaţii ce se pot referi la controlul conexiunii sau pot conţine date efective, precum fişiere text, Postscript, pagini Web sau orice alt tip de fişiere. În reţelele bazate pe comutare de pachete sursa care trimite informaţiile le divizează în fragmente mai mici de date, numite pachete. Aceste pachete sunt trimise de la sursă către destinaţie folosind o legătură de comunicaţie şi nişte dispozitive care controlează drumul pe care o iau aceste pachete, care se numesc rutere. Această operaţie de coordonare a pachetelor pe drumul de la sursă la destinaţie poartă numele de rutare.
Majoritatea ruterelor folosesc o transmisie de tipul store-and-forward (stochează-şi-trimite mai departe) la intrări; ruterul trebuie să recepţioneze întregul pachet înainte de a-l direcţiona pe următoarea legătură. Această modalitate de transmisie creează o întârziere la fiecare intrare a unei legături de-a lungul unei rute. Tehnologiile moderne de comunicaţie nu mai folosesc acest tip de transmisie store-and-forward, făcând posibilă începerea direcţionării pachetelor de date înainte de a fi recepţionate în întregime.
Dispozitivele de rutare dispun de mai multe memorii tampon (buffers), o memorie buffer de intrare şi o memorie buffer de ieşire. Memoria de ieşire joacă un rol deosebit de important în comutarea pachetelor. Dacă un pachet ce tocmai a fost primit trebuie retransmis de-a lungul unei legături şi această legătură este Pagina 11 d in 29
ocupată cu transmisia altui pachet, acest pachet trebuie să fie stocat în memoria de ieşire. Apare astfel o altă întârziere datorată cozii de aşteptare din memoria de ieşire. Aceste întârzieri sunt variabile şi depind de nivelul aglomerării reţelei la un moment dat. Deoarece memoria are o dimensiune limitată, un pachet ce soseşte poate găsi această memorie ocupată cu stocarea altor pachete sosite anterior; în acest caz avem de-a face cu o pierdere de pachete.
Să considerăm cazul unei reţele obişnuite bazate pe comutare de pachete (Figura 1.8). Presupunem că sistemele terminale X şi Y trimit pachete de date sistemului terminal Z. Iniţial, pachetele sunt trimise de-a lungul legăturii de 100 Mbps Ethernet până la primul comutator, care le direcţionează pe legătura de tip T1 (1,544 Mbps). Dacă această legătură nu este aglomerată, pachetele sunt trimise într-o coadă de aşteptare în memoria de ieşire înainte de a fi transmise mai departe. Secvenţa de pachete trimise de sistemele terminale X şi Y nu are nici o regulă de aranjare; ordonarea lor în coada de aşteptare se face la întâmplare. Un astfel tip de multiplexare se numeşte multiplexare statistică (statistical multiplexing). Tehnologii relativ recente precum Frame Relay sau ATM folosesc acest tip de tehnică de multiplexare.
X Y Z Coadă de aşteptare în memoria buffer W 100 Mbps Ethernet 1,544 Mbps T1 45 Mbps
Figura 1.8 Reţea bazată pe comutare de pachete
Având o imagine asupra tehnologiilor bazate atât pe comutarea de circuite cât şi pe comutarea de pachete, să încercăm să facem o comparaţie între acestea. Susţinătorii comutării de circuite au argumentat deseori alegerea lor prin faptul că tehnologiile bazate pe comutare de pachete nu ar fi potrivite pentru aplicaţii în timp real (apeluri telefonice sau apeluri în regim de video-conferinţă) datorită întârzierilor variabile şi imprevizibile. Susţinătorii comutării de pachete argumentează că această tehnologie oferă o serie de avantaje, precum:
􀂃 O mai bună partajare a lăţimii de bandă;
􀂃 Este mai simplă, mai eficientă şi mai puţin costisitoare.
Să considerăm exemplul în care o legătură de comunicaţie de 2 Mbps este partajată între 10 utilizatori. În perioadele de activitate rata de transfer pentru fiecare utilizator este de 2 Mbps/10=200 Kbps. Presupunem că perioadele de activitate reprezintă 10% din timpul total al conexiunii. În cazul comutării de circuite, rata de 200 Kbps trebuie asigurată şi rezervată pentru fiecare utilizator pe toată durata conexiunii. În acest mod se asigură acces pentru exact 10 utilizatori simultan. În cazul comutării de pachete, dacă se consideră cazul a 35 de utilizatori simultan, probabilitatea ca să existe 10 sau mai mulţi utilizatori activi este mai mică de 0,0017. În cazul contrar, în care există 10 sau mai puţini utilizatori activi (cu o probabilitate de 0,9983), rata totală de transfer este cel Pagina 12 d in 29
mult egală cu 2Mbps, adică rata maximă de transfer a legăturii de comunicaţie. În acest caz, pachetele de date sunt trimise în reţea fără întârzieri, ca şi în cazul comutării de circuite.
În cazul în care există mai mult de 10 utilizatori activi, atunci rata combinată de transfer va depăşi capacitatea legăturii şi astfel coada de aşteptare din memoria de ieşire va creşte. Deoarece probabilitatea existenţei a mai mult de 10 utilizatori simultani este foarte mică, comutarea de pachete are aproape întotdeauna aceleaşi performanţe ca şi comutarea de circuite, dar în condiţiile unui număr de utilizatori de 3,5 ori mai mare [Kurose 2001].
Soluţiile tehnologice actuale adoptă ambele variante de comutare, dar este clară tendinţa în telecomunicaţii de migrare spre comutarea de pachete. Multe din companiile telefonice (bazate pe comutare de circuite) existente azi au început să migreze încet dar sigur spre comutarea de pachete.
1.4.3. Comutare de mesaje
Unele dintre reţelele bazate pe comutare de pachete realizează însă o comutare de mesaje – în acest caz sursa care trimite informaţiile nu divide mesajul în segmente; se spune că avem de-a face cu o comutare de mesaje, care este un caz particular al comutării de pachete. În Figura 1.9 este prezentată o reţea bazată pe comutare de mesaje – se observă că mesajul rămâne nemodificat pe durata traversării reţelei. În cazul comutatoarelor store-and-forward trebuie să se recepţioneze întregul mesaj înainte de a-l transmite mai departe în reţea. sursă MESAJ Comutator Comutator destinaţie
Figura 1.9 Reţea cu comutare de mesaje
În cazul comutării de pachete (Figura 1.10), mesajul original este, de exemplu, divizat în 6 pachete, dintre care primele două au ajuns la destinaţie, al doilea şi al treilea sunt pe drum în reţea iar ultimele două nici nu au plecat încă de la sursă. Un avantaj principal al comutării de pachete (cu mesaje segmentate în pachete) este acela că întârzierile sunt mult mai mici decât în cazul comutării de mesaje. Dar, comutarea de pachete are un dezavantaj datorat faptului că fiecare pachet trebuie să aibă, pe lângă informaţia iniţială şi o informaţie de control. Această informaţie se numeşte header şi este inclusă în orice pachet sau mesaj transmis în reţea. Având în vedere faptul că dimensiunea header-ului este aproximativ aceeaşi atât în cazul unui pachet cât şi în cazul unui mesaj, rezultă că în cazul comutării de pachete există mai multă informaţie suplimentară de control (sunt mai multe pachete).
Un alt avantaj al comutării de pachete este acela al introducerii unor biţi de control al erorilor în pachetele de date. Atunci când un comutator detectează o eroare într-un pachet, de regulă acest pachet se aruncă şi el trebuie retransmis. În cazul în care un mesaj este greşit, atunci întregul mesaj trebuie retransmis, iar un mesaj poate conţine mii de pachete. Avantajul divizării mesajului în mai multe pachete este deci acela că atunci doar pachetele greşite vor trebui retransmise.