Modelul TCP/IP

Deşi modelul OSI este general recunoscut, standardul istoric şi tehnic pentru Internet este TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Modelul TCP/IP a fost creat de US DoD ( US Department of Defence - Ministerul Apărării Naţionale al Statelor Unite) din necesitatea unei reţele care ar putea supravieţui în orice condiţii. Modelul TCP/IP are patru niveluri: Aplicaţie, Transport, Reţea (sau Internet) şi Acces la Reţea.

Figura 1: Modelul TCP/IP

Nivelul Aplicaţie nu este identic cu cel din modelul ISO-OSI. Acesta include ultimele trei niveluri superioare din stiva OSI. Acestea au fost comasate pentru a putea fi tratate la un loc toate problemele legate de protocoale de nivel înalt, fie ele de reprezentare, codificare sau control al dialogului.

Nivelul Transport este identic cu cel din modelul OSI, ocupându-se cu probleme legate de siguranţă, control al fluxului şi corecţie de erori.

Scopul nivelului Retea (Internet) este de a asigura transmiterea pachetelor de la orice sursă din reţea şi livrarea lor către o destinaţie independent de calea şi reţelele pe care le-a străbătut pentru a ajunge acolo. Determinarea drumului optim şi comutarea pachetelor au loc la acest nivel.

Nivelul Acces la reţea se ocupă cu toate problemele legate de transmiterea efectivă a unui pachet IP pe o legătură fizică, incluzînd şi aspectele legate de tehnologii şi de medii de transmisie, adică nivelurile OSI Legătură de date şi Fizic.

1

Paralelă între OSI şi TCP

Figura: Comparaţia ISO-OSI - TCP/IP

Deşi atât OSI cât şi TCP încearcă să definească/modeleze acelaşi lucru, şi anume procesul de comunicare între două entităţi, se pune firesc întrebarea: care din ele este mai bun? Din păcate, pe cât de simplă este întrebarea, pe atât de complicat şi controversat este răspunsul. O dovadă ``materială'' în acest sens o constituie cartea intitulată ``Open Systems Networking: TCP/IP and OSI'' publicată în cadrul prestigioasei edituri Addison-Wesley care dezbate acest subiect pe parcursul a... 600 pagini! Să încercăm şi noi să identificăm, într-un spaţiu mult mai restrâns, câteva dintre asemănările şi deosebirile care leagă cele două modele.

O importantă asemănare între OSI şi TCP/IP o constituie faptul că ambele sunt modele conceptuale ale procesului de comunicare. Din păcate această asemănare simplă şi evidentă conţine şi o primă deosebire fundamentală: OSI este general, permiţând explicarea oricărui proces de comunicare, în timp ce TCP/IP-ul nu reuşeşte să modeleze perfect decât procesul de comunicare folosit în Internet.

O altă importantă asemănare între cele două modele o reprezintă faptul că ambele conţin o stivă de niveluri care sunt legate între ele prin noţiunea de serviciu (ceea ce ştie să facă un nivel), interfaţă (modul în care serviciile sunt oferite nivelui superior) şi protocol (modul în care sunt efectiv implementate serviciile). Dacă OSI reuşeşte să facă o distincţie clară între aceste trei elemente, pentru TCP/IP ele nu reprezintă deloc un element vital.

Încă o asemănare ar mai putea fi identificată: ambele modele s-au bucurat de o răspândire largă. Şi de această dată urmează un ``din păcate'', pentru că, dacă modelul OSI îşi datorează popularitatea faptului că permite explicarea teoretică a oricărui proces de comunicare, TCP/IP-ul este faimos prin succesul răsunător al Internetului, reţea care se bazează pe el.

2

După cum a devenit deja clar, deşi OSI s-a dorit un model ideal, care să ajute realizarea de paşi rapizi în evoluţia comunicării, chiar generalitea sa l-a condamat la o existenţă doar în plan teoretic. De cealaltă parte, TCP/IP-ul a apărut prin descrierea unei situaţii cât se poate de practice şi, după cum realitatea actuală o arată, nu necesită nici o modificare pentru a satisface în continuarea nevoile de comunicare ale unei comunităţi tot mai mari şi mai diverse. Tocmai această ``suficienţă'' a făcut un câştigător din TCP/IP şi un învins din OSI pe plan practic: pentru OSI protocoalele care să respecte modelul trebuiau create (şi evident apoi implementate şi folosite). Acest lucru nu s-a mai întâmplat.

Un alt mod de explicare al eşecului OSI îl reprezintă momentul nefast în care acesta a apărut. Mai exact, trecerea la OSI ar fi reprezentat pentru multe firme renunţarea la soluţiile deja existente, bazate pe TCP/IP, şi depunerea unui efort considerabil pentru dezvoltarea unora noi, bazate pe noul model.

Din punct de vedere tehnic o diferenţă evidentă dintre cele modele o reprezintă faptul că nivelurile superioare prezente în OSI sunt comasate într-unul singur la TCP/IP. Acest lucru însă nu neagă existenţa unor niveluri ca Sesiune sau Prezentare, ci doar demonstrează că ele sunt suficient de ``personale'' pentru aplicaţii pentru a nu necesita o standardizare. Acest lucru poate fi uşor pus în evidenţă de analiza oricărei aplicaţii Internet.

O altă diferenţă tot de ordin tehnic o reprezintă faptul că OSI-ul descrie două tipuri de protocoale, orientate conexiune şi fără conexiune, la nivelul reţea şi doar unul, cel orientat conexiune, pentru nivelul transport. TCP/IP-ul merge exact în direcţia opusă, oferind doar un protocol fără conexiune la nivel reţea şi ambele tipuri de protocoale pentru nivelul transport. Acest lucru dă mai multă putere aplicaţiilor care pot astfel să îşi aleagă protocolul cel mai potrivit.

O altă deosebire de ordin tehnic care complică OSI-ul e faptul că anumite operaţii, cum ar fi de exemplu verificările de integritate, sunt realizate de mai multe ori în cadrul unor niveluri diferite. Nu vom detalia mai mult implicaţiile acestui lucru, însă merită reţinut că a fost demonstrat că locul cel mai potrivit pentru controlul erorilor este la un nivel cât mai înalt.

Concluzia acestei comparaţii: fiecare din cele două modele îşi are rolul său în acoperirea nevoilor de modelare. Sau, mai puţin formal, putem zice că unul rulează bine pe hârtie iar altul în realitate.

Încapsularea datelor

Înainte ca datele să fie transmise, ele trec printr-un proces numit încapsulare. Încapsularea adaugă informaţii specifice fiecărui nivel prin adăugarea unui antet şi a unui trailer la fiecare nivel. Acest proces este vital în comunicare. Prin încapsulare, protocoalele de pe fiecare nivel pot comunica între sursă şi destinaţie independent de celelalte niveluri. Fiecare nivel îşi adaugă informaţii specifice pe parcursul încapsulării. Astfel, în cadrul procesului de decapsulare, protocoalele de pe un anumit nivel pot primi

3

aceste date la destinaţie şi pot da informaţii nivelurilor superioare în funcţie de aceste date. Se creează în acest fel o comunicare între nivelurile analoge de la sursă şi de la destinaţie; această comunicare nu are loc prin legături fizice, ci este posibilă datorită procesului de încapsulare/decapsulare a datelor. Fiecare nivel comunică cu nivelurile analoge prin intermediul unor unităţi de date proprii (PDU = Protocol Data Unit). Aceste unităţi de date sunt constituite din datele primite de la nivelurile superioare, încadrate de un antet şi un trailer specifice nivelului respectiv. Fiecare tip de PDU pentru nivelurile 2, 3 şi 4 (legătură de date, reţea şi transport) au semnificaţii deosebite şi poartă nume consacrate. Nivelurile transport comunică prin segmente, nivelurile reţea comunică prin pachete, iar cele legătură de date creează prin încapsulare frame-uri (cadre).

Vom da un exemplu pentru a putea înţelege mai bine şi pentru a putea urmări procesul de încapsulare a datelor. Să presupunem că un utilizator oarecare scrie un e-mail pe care îl trimite unui destinatar. El face acest lucru prin intermediul unui client de mail (de exemplu MS. Outlook). La trimiterea e-mail-ului, protocolul SMTP, situat la nivel aplicaţie, primeşte date de la clientul de mail şi le trimite nivelului prezentare, după ce şi-a adăugat informaţiile proprii ce vor fi necesare la recepţionare pentru corecta interpretare de către clientul de mail al destinatarului. La nivelul prezentare, datele sunt trecute în format ASCII pentru a asigura o reprezentare comună şi trimise mai departe nivelului sesiune. Nivelul sesiune va crea şi deschide o sesiune de comunicare cu calculatorul destinaţie, cu scopul de a trimite datele primite de la nivelul superior. Datele trimise de nivelul sesiune sunt recepţionate de către nivelul transport. Acesta le împarte în segmente, adăugându-şi propriile informaţii (numărul segmentului, portul sursă şi destinaţie etc.) prin intermediul unui header şi trimite segmentele astfel obţinute nivelului reţea. Nivelul reţea va crea pachete prin adăugarea headerului propriu ce va conţine elemente de adresare IP, cum ar fi adresa IP a sursei şi a destinaţiei. Pachetele sunt trimise nivelului legătură de date. Nivelul legătură de date încapsulează pachetul într-un cadru, adăugându-şi propriul header ce conţine elemente de adresare fizică. Cadrele sunt pasate nivelului fizic, care este răspunzător cu transmiterea efectivă a biţilor prin mediul de transmisie. Astfel, deşi singura comunicare reală are loc între nivelurile fizice, fiecare nivel poate transmite date specifice nivelului analog de la destinaţie ce vor fi interpretate de către acestea.

Organizaţii de standardizare

Din punct de vedere istoric, ideea de standardizare a unui număr cât mai mare de procese şi lucruri din mediul cotidian este destul de nouă. Al doilea război mondial a avut printre consecinţe şi constrângerea de cooperare a mai multor naţiuni, astfel încât incompatibilităţile dintre modurile de operare au devenit evidente. Odată terminat războiul, una dintre primele măsuri pe timp de pace a fost înfiinţarea unei organizaţii internaţionale de standardizare, în anul 1946, numită chiar ISO (International Standardization Organization). Ca multe dintre acronimele prezente în tehnologia de azi şi ISO a fost ales astfel încât să fie mai mult decât doar un acronim. Denumirea de ISO provine de la cuvântul din limba greacă ``egal'', deoarece s-a dorit ca însuşi numele

4

acestei organizaţii de standardizare să fie standard, adică acelaşi în toate limbile. Pentru mai multe informaţii, puteţi vizita:

http://www.iso.org/iso/en/xsite/contact/01enquiryservice/013logo/query1.html

ISO este o organizaţie nonguvernamentală, iar aria sa de activitate este extem de extinsă. Astfel, din cele peste 5000 de standarde ce poartă girul ISO, unele se referă la plasele de pescuit (ISO 1530), altele la boabele de cacao (ISO 2451), dar există şi standarde ce afectează activităţile comerciale din România, cum ar fi standardele de calitate ISO 9001 şi ISO 9002, multe dintre firmele din România făcând eforturi considerabile pentru a obţine certificarea pentru aceste două standarde.

Odată cu creşterea în importanţă a sectorului telecomunicaţiilor, a apărut o iniţiativă de standardizare din partea guvernelor statelor de pe creasta valului tehnologic, această iniţiativă căpătând numele de ITU (International Telecomunication Union), şi deşi această organizaţie a fost fonadată înaintea ISO, abia după cel de al doilea război mondial a căpatat o anvergură cu adevarat globală. Cele două organizaţii OSI şi ITU au lucrat împreună la multe dintre standardele ce definesc diverse părţi ale realităţilor tehnologice de azi, deşi sunt structural diferite, prima reprezentând direct soluţiile venite din industrie, în vreme ce cea din urmă reprezenta mai ales opţiunile guvernelor din diferite ţări.

ITU este organizată în trei secţiuni: sectorul de radiotelecomunicaţii ITU-R, sectorul de standardizare a telecomunicaţiilor ITU-T şi sectorul de dezvoltare ITU-D. ITU-T s-a implicat semnificativ în standardizarea reţelelor de calculatoare, deşi unele dintre standardele elaborate de ITU-T pot fi găsite doar sub semnătura CCITT (acronimul numelui francez pentru ITU-T), acesta fiind numele sub care au fost emise standardele între 1956 şi 1993.

O altă instituţie, cu un rol semnificativ în standardizarea mai ales a calculatoarelor, este ANSI (American National Standards Institute,) care este o organizaţie nonguvernamentală. Cu toate că mult mai mulţi studenţi din România au luat contact cu standardele ANSI, rolul acestei organizaţii în standardizarea reţelelor de calculatoare a fost destul de redus.

Dintre organizaţiile de standardizare extrem de activ implicate în procesul de reglementare a reţelelor de calculatoare trei se disting: IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), IETF (Internet Engineering Task Force)şi EIA/TIA.

IEEE este cea mai mare organizaţie profesională din lume. Sub egida sa anual se publică numeroase reviste şi jurnale tehnice, sunt organizate seminarii şi conferinţe, IEEE devenind astfel unul dintre cele mai prestigioase forumuri pentru dezbateri ştiinţifice. Multe dintre aceste dezbateri ajung să fie concluzionate de grupurile de standardizare

5

afiliate IEEE. Principalul set de standarde pentru reţelele de calculatoare elaborat de IEEE poartă numele de 802.x şi cuprinde standarde ca:

Nr. standardului Denumirea

802.1 LAN/MAN bridging

802.2 LLC (Controlul legături logice)

802.3 CSMA/CD (Ethernet)

802.4 Token Bus

802.5 Token Ring

802.6 DBDQ (Standard pentru MAN)

802.7 Broadband LAN

802.10 LAN-uri virtuale şi securitate

802.11 Wireless LAN

802.15 Bluetooth

Cea de-a doua organizaţie de standardizare, IETF, este gestionarea celui mai important mecanism de reglementare a Interetului, şi anume a RFC-urilor (Request For Comments). Numele de RFC poate induce în eroare, pentru că un document ajuns să fie publicat pe site-ul IETF ca RFC este deja standard, schimbarea acestuia fiind posibilă doar prin publicarea unui nou RFC. Mecanismul de fucţionare a IETF este extrem de ingenios. IETF gestionează un număr de grupuri de lucru formate cel mai adesea de indivizi angajaţi de mari companii al căror interes este impunerea soluţiilor proprii drept standarde, sau, dacă nu, măcar aflarea tendinţelor de standardizare cât mai devreme posibil. Astfel, IETF este în primul rând un forum de dispute publice. Înainte de a deveni RFC, orice document ce îndeplineşte un set de norme de redactare (set de norme specificat tot printr-o serie de RFC-uri) trebuie să treacă prin stadiul de proiect (draft). Autori unui proiect pot fi atât membri ai unuia dintre grupurile de cercetare de sub egida IETF, cât şi cercetători independenţi. Documentul este publicat pe site-ul IETF în secţiunea de proiecte (la www.ietf.org/drafts), urmând ca la sfârşitul a şase luni de zile să fie evaluată reacţia comunităţii reţelelor de calculatoare la respectiva propunere. Dacă se apreciază că lucrarea în cauză a stârnit un interes în rândul celor implicaţi în reţelele de calculatoare (chiar şi doar prin comentarii critice) documentul este publicat ca RFC (la www.ietf.org/rfc) sau se publică un nou proiect, în orice caz lucrarea iniţială este retrasă din secţiunea de proiecte.

Alte două asociaţii cu un puternic impact asupra standardelor din lumea reţelelor de calculatoare sunt EIA (Electronic Industries Alliance) şi TIA (Telecommunications Industry Association). Multe dintre standarde sunt dezvoltate împreună de către cele două

6

organizaţii, astfel încât standardele rezultate poartă denumirea de EIA/TIA. Standardele dezvoltate se referă la fibra optică, echipamente de reţea, cablare de reţea, comunicaţii wireless şi satelit. Dintre ele, standardul principal pe care îl vom discuta este EIA/TIA 568, care impune anumite reglementări referitoare la cablarea structurată (inclusiv ordinea culorilor dintr-un cablu UTP la sertizarea unei mufe RJ45).

O atenţie sporită se acordă în ultima vreme organizaţiilor care dezvoltă standarde referitoare la calitatea şi la siguranţa produselor. UL (Underwriters Laboratories Inc.) este o organizaţie independentă non-profit care se ocupă cu certificarea şi testarea siguranţei produselor. Produsele sunt testate pentru a putea fi sigur că îndeplinesc anumite condiţii minime de siguranţă pentru cei care le folosesc (adică pentru publicul consumator). În fiecare an mai mult de 17 miliarde de sigle UL sunt aplicate pe produse în întreaga lume. Acest lucru se aplică şi la cablurile de reţea, fiind dezvoltat un standard numit UL 444 pentru siguranţa cablurilor de telecomunicaţii. În afară de testarea siguranţei produselor, UL a mai adăugat indicative de calitate. De exemplu, un cablu care respectă toate normele de siguranţă precum şi de calitate în conformitate cu categoria CAT5e va avea indicativul UL Level V. Un cablu care respectă doar normele de siguranţă, însă nici o normă minimă de calitate, va avea indicativul UL Level I. Datorită faptului că această organizaţie funcţionează la nivel internaţional, semnul UL aplicat pe produsele de larg consum reprezintă o garanţie a unui nivel minim de calitate şi siguranţă. Dacă la acelaşi preţ aveţi de ales între mai multe produse (din orice domeniu), puteţi încerca să căutaţi semnul indicativ de calitate, de exemplu UL. Alt indicativ de calitate este CE - indicativul comisiei europene de standarde. Aceasta a stabilit un set de cerinţe referitoare la normele legale ce trebuie respectate în Comunitatea Europeană. Indicativul CE nu indică respectarea unui standard tehnic ci a unor cerinţe, norme legale.

Mai există multe alte organizaţii de standardizare, unele cu caracter internaţional, altele cu caracter naţional sau chiar regional. Numărul impresionant de mare de organizaţii care au ca unic scop standardizarea diferitor produse, procedee sau norme reflectă importanţa covârşitoare a respectării normelor de standardizare mai ales în lumea tehnică, precum şi dezvoltarea unor noi standarde pe măsura apariţiei unor tehnologii de ultimă oră.

Reţele locale IEEE 802.11

Apariţia reţelelor locale fără fir a fost la fel de naturală ca dezvoltarea sistemului de telefonie mobilă, într-un moment în care utilizatorii au nevoie de mobilitate mai mult ca oricând. Reţelele locale fără fir (WLAN) oferă utilizatorilor aceleaşi facilităţi ca şi reţelele locale bazate pe infrastructura de cablu, dar fără limitarea impusă de fire. În plus, conform standardului, este posibilă şi conectarea fără fir la distanţă mare între reţele (până la 40Km).

Standardizarea impusă reţelelor fără fir de IEEE şi Wi-Fi Alliance a permis interoperabilitatea echipamentelor, ceea ce a dus în final la scăderea costurilor şi la un proces de dezvoltare mai rapid. În momentul de faţă viteza de transfer a datelor într-o

7

reţea locală fără fir atinge 54 Mbps, iar costurile de instalare a reţelei fără fir sunt considerabil mai mici, ceea ce face ca instalarea unui LAN fără fir să fie o soluţie viabilă, nu numai în cazul utilizatorilor mobili, ci şi ca un substitut al LAN-urilor clasice.

IEEE 802.11 este o familie de protocoale care defineşte nivelul fizic şi subnivelul MAC al nivelului legatură de date. Standardul stabileşte ca medii de transmisie benzi de unde din domeniul infraroşu şi radio (incluzând microundele). În domeniul radio sunt specificate trei tipuri de transmisie folosind unde radio din benzile nelicenţiate de frecvenţe ISM de 2.4GHz şi 5GHz:

802.11b este primul standard lansat în domeniul reţelelor LAN fără fir, şi cea mai populară tehnologie astăzi; lucrează în banda de 2.4GHz şi atinge viteze de 11Mbps; problemele de care s-a lovit acest standard au fost încărcarea benzii ISM de 2.4GHz (în care lucrează multe alte sisteme, cum sunt Bluetooth şi cuptoarele cu microunde) şi viteza de transfer relativ mică, în condiţiile în care FastEthernet este implementat din ce în ce mai mult;

802.11a lucrează în banda de 5GHz şi atinge viteze de 54Mbps; din cauza benzii diferite de transmisie este incompatibil cu 802.11b, dar lucrează într-o bandă de frecvenţe mult mai puţin aglomerată şi oferă viteze de transmisie comparabile cu cele oferite de reţelele de cupru;

802.11g (ratificat în 2003) este în fapt un amendament la 802.11b, care specifică o viteză de transfer de 54 Mbps (egală cu viteza 802.11a); fiind perfect compatibilă cu tehnologia 802.11b şi oferind viteze de vârf, se aşteaptă în prezent ca bătălia decisivă pentru ocuparea pieţei să se ducă între 802.11g şi 802.11a.

Echipamentele necesare implementării unei reţele fără fir 802.11 sunt: adaptoare de reţea, care înlocuiesc plăcile de reţea tradiţionale pentru calculatoare

fixe sau mobile; un acces point (AP), care este punctul central al unei reţele fără fir, dar care poate

funcţiona şi ca un repetor sau poate asigura conectivitatea între o reţea fără fir şi una clasică;

bridge-uri care conectează două reţele la distanţă.

Arhitectura 802.11 oferă conectivitate fără fir unui număr de echipamente conectate în topologii logice. O celulă de servicii de bază BSS (Basic Service Set) este formată dintr-un access point şi un număr de clienţi pentru care acesta este punctul central de conectivitate. Conexiunea cu reţeaua de cupru este asigurată de AP. Toţi clienţii comunică numai cu AP-ul, şi nu între ei, ceea ce înseamnă că schimbarea poziţiei unui client în celulă trebuie să fie făcută astfel încât distanţa dintre client şi AP să nu depăşească o valoare maximă de acoperire a semnalului radio.

8

a) bss b) ibssFigura: Basic Service Set şi Independent Basic Service Set

O celulă de servicii de bază independentă (numită şi celula ad-hoc, IBSS sau Independent Basic Service Set) este o topologie formată numai din staţii care comunică direct între ele. Minimul necesar pentru a pune la punct o asemenea topologie este numai de două staţii.

O celulă de servicii extinsă ESS (Extended Service Set) integrează transparent mai multe celule BSS printr-un sistem de distribuţie care poate fi de cupru, fără fir, LAN sau WAN. Sistemul de distribuţie are rolul de a acoperi distanţele mari dintre BSS-uri. Astfel, un client poate face roaming între celulele de bază, fără a-şi pierde conectivitatea.

Figura : Extended Service Set

Cele trei tipuri de reţele fără fir specificate de 802.11 ating lăţimi de bandă între 1 Mbps şi 54 Mbps, în funcţie de modalitatea de transmisie a datelor şi modularea lor. Astfel, 802.11b transmite datele în spectru larg de frecvenţă prin DSSS. Viteza de transmisie la 802.11b depinde de tipul de modulare: cu BPSK, lăţimea de bandă este de 1Mbps; cu QPSK, la 2 Mbps, iar cu CCK la 5.5 şi 11 Mbps.

9

802.11a are la bază OFDM; viteza maximă de 54 Mbps este atinsă dacă modularea semnalelor în OFDM este de tip 64 level QAM (Quadrature Amplitude Modulation, sau modulare în amplitudine cu 6 biţi/64 de valori pe Hertz).

CSMA/CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) este un protocol de acces la mediu care ascultă mediul pentru a evita coliziunile, spre deosebire de CSMA/CD, care îşi reglează transmisia de date odată ce coliziunile s-au produs.

Staţiile care fac parte dintr-o reţea fără fir emit într-o bandă de frecvenţe alocată, limitată ca dimensiune. Din cauza limitării intervalului alocat, mediul partajat de staţii este deschis coliziunilor. Tehnica de acces la mediu folosită în prezent de reţelele locale este CSMA/CA, un protocol de acces care are câteva asemănări cu CSMA/CD pe Ethernet. CSMA/CA este proiectat astfel încât să reducă probabilitatea de coliziune la accesarea multiplă a mediului, în punctele în care e cel mai probabil să apară coliziuni, adică imediat ce mediul de transmisie devine liber în urma unei transmisii, când mai multe staţii care îşi aşteptau rândul ar putea începe să transmită.

Protocolul foloseşte ascultarea mediului, ca şi CSMA/CD. În plus, pentru a acapara mediul se trimit rezervări, în forma unor mesaje de cerere de ocupare a mediului. Distribuirea informaţiilor de rezervare a mediului se face prin interschimbarea de către staţiile care vor să converseze a unor cadre de tip RTS (Request to Send) şi CTS (Clear to Send). Aceste două tipuri de cadre conţin un câmp de durată, care specifică perioada de timp pentru care se doreşte ocuparea mediului pentru transmisia datelor, a cadrului ACK de la terminarea conversaţiei, şi a tuturor intervalelor de timp dintre cadrele trimise.

Figura: CSMA/CA distribuit

Toate staţiile care se află în reţea în raza de transmisie a staţiei emiţătoare, care trimite cadrul RTS, sau a staţiei receptoare, care trimite cadrul CTS, vor afla despre rezervarea mediului (figura). Acest tip de acces la mediu din reţelele fără fir se mai numeşte şi coordonare distribuită. Subnivelul MAC al IEEE 802.11 poate încorpora încă un tip de metodă de acces la mediu, numită coordonare centralizată, care elimină coliziunile pe mediu printr-un tip de polling, având acces point-ul ca master.

10

Sistemele de telefonie mobilă

Telefoanele mobile de care facem uz atât de natural astăzi nu sunt decât transmiţătoare radio ceva mai complexe. Evoluţia lor a făcut ca mai multe tehnologii de telefonie mobilă să fie puse în practică în timpul secolului trecut, la început analogice, iar în prezent preponderent digitale. Nici una din aceste tehnologii nu a fost vreodată standardizată, ceea ce a făcut ca dezvoltarea lor să fie de cele mai multe ori independentă, la nivel de ţară sau continent. Astfel, sistemele de telefonie mobilă de astăzi (GSM în Europa, D-AMPS în SUA) nu sunt compatibile între ele.

La începuturile telefoniei mobile analogice, pentru transferul de voce în scopuri militare sau de navigaţie se foloseau radio-uri obişnuite. Pentru utilizatorii din oraşe primul sistem pus în funcţiune a fost cel folosit şi astăzi în comunicaţiile taxiurilor: comunicarea se face prin intermediul unei staţii de bază, folosind o singură frecvenţă pentru transmisie şi recepţie, alternativ.

Într-un sistem de telefonie mobilă de tip primar, pentru ca un grup de posesori de transmiţătoare radio să poată comunica între ei, o antenă centrală montată pe un turn era folosită ca centru de comunicaţie. Astfel, fiecare utilizator mobil trebuia să se afle destul de aproape de staţia centrală sau să transmită cu o putere destul de mare pentru a putea comunica. În plus, dacă banda de frecvenţă folosită de acest tip de sistem era împărţită într-un număr de canale de comunicaţie, atunci un număr maxim de utilizatori egal cu numărul de canale puteau comunica în acelaşi timp.

AMPS

Primul sistem mobil utilizat extins a fost AMPS (Advanced Mobile Phone System), odată cu care apare noţiunea de telefonie celulară analogică. Sistemul de comunicaţie celulară funcţionează pe un principiu diferit de cele anterioare, împărţind aria de acoperire în celule. O celulă dispune de o staţie de bază (formată numai dintr-o antenă plasată pe un turn şi un echipament de calcul) şi este relativ restrânsă în dimensiune (diametrul nu depăşeşte 20Km), pentru ca puterea de transmisie a telefoanelor mobile să fie mică şi echipamentele ieftine. În plus, două celule care nu sunt adiacente pot transmite în acelaşi set de frecvenţe, reutilizând canalele de comunicaţie: cum un sistem celular e figurat hexagonal, numărul de frecvenţe de comunicaţie disponibile pentru comunicaţia într-o celulă este numărul total de frecvenţe acordate sistemului împărţit la şapte, astfel încât între oricare două celule care folosesc acelaşi set de frecvenţe există o zonă tampon formată din alte celule care folosesc frecvenţe diferite.

11

Figura : Sistemul mobil celular

Staţiile de bază ale celulelor dintr-o arie geografică se conectează la un singur centru, numit MTSO (Mobile Telephone Switching Office). Într-o arie geografică mai mare, centrele MTSO se ierarhizează pe câteva niveluri, pentru ca în final toată reţeaua fără fir să fie conectată la reţeaua de telefonie fixă.

Atunci când un utilizator se află în aria de acoperire a unei celule, conversaţiile sunt purtate între utilizator şi staţia de bază pe una din frecvenţele care aparţin celulei respective. În cazul în care staţia de bază a celulei curente detectează o scădere a puterii semnalului de la utilizator, interoghează staţiile de bază vecine pentru a afla în ce direcţie creşte calitatea semnalului primit de la receptorul clientului. Transferul conversaţiei se face transparent către noua staţie de bază, schimbând frecvenţa de comunicaţie la una din frecvenţele proprii noii celule în a cărei arie de acoperire se află.

AMPS intră în prima generaţie de tehnologii de telefonie mobilă. Oferind numai servicii de transport analogice, nu suportă extinderea la transmisii de date de care ar fi avut nevoie conectarea la Internet.

D-AMPS

Generaţia de telefoane mobile care a succedat AMPS este varianta sa digitală, D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) folosită numai în SUA şi, într-o formă modificată, în Japonia. D-AMPS este proiectat astfel încât să fie perfect compatibil cu varianta sa analogică şi să poată coexista în aceeaşi celulă. Astfel, sunt folosite aceleaşi frecvenţe de transmisie, iar modul de transmisie analog/digital este adaptat pe canalele de comunicaţie în funcţie de tehnologia clientului.

Diferenţa de bază între D-AMPS şi AMPS este faptul că în noua tehnologie semnalul de date captat de microfon pentru transmisie este transformat în semnal digital în interiorul telefonului clientului. Digitizarea este urmată de compresie, prin care se micşorează

12

cantitatea de date transmisă atât de mult încât în transmisie poate interveni şi divizarea în timp a canalului de comunicaţie, pentru a transmite cel puţin trei conversaţii pe aceeaşi pereche de canale, asigurând fiecărui utilizator o bandă de voce de 8 Kbps. Metoda de modulare pentru trimiterea datelor digitale este FSK, care foloseşte două frecvenţe pentru codificarea valorilor 0 şi 1.

GSM

În afara ariei restrânse în care este folosit sistemul D-AMPS, lumea foloseşte sistemul GSM (Global System for Mobile Communications), care a fost folosit pe scară largă în Europa înainte ca sistemele digitale de telefonie să ocupe piaţa în SUA. În ţările acoperite de GSM, acelaşi telefon poate opera în orice locaţie, după schimbarea provider-ului de servicii prin schimbarea cartelei SIM (Subscriber Identification Module, un modul care memorează datele de identificare şi de conectare la serviciu pentru un anumit provider) de identificare a serviciului.

Asemănările între cele două sisteme concurente (D-AMPS şi GSM) sunt mai puternice decât deosebirile, însă cu toate acestea cele două tehnologii rămân incompatibile.

La fel ca D-AMPS, GSM foloseşte două benzi de frecvenţă în jurul a 900 MHz care găzduiesc perechile de canale simplex. Banda alocată la 890.2 - 914.8 MHz este împărţită în 124 de canale de transmisie de 200 KHz, la fel ca banda alocată între 935.2 - 959.8 MHz, pentru recepţie. Există, la fel ca pentru D-AMPS, o bandă suplimentară la 1800 MHz formată din două intervale pentru transmisie (1710-1785 MHz), respectiv recepţie (1805-1880 MHz). Divizarea în frecvenţă FDM este modul de acces de bază la mediu, iar o divizare suplimentară în timp TDM face ca o pereche de canale simplex de transmisie-recepţie să fie partajată de 8 utilizatori. Deşi numărul de utilizatori care partajează o frecvenţă este mai mare ca la D-AMPS, lărgimea de bandă mai mare a canalului face ca, în final, banda de voce alocată unui client să ajungă la 13 Kbps, pentru o calitate mai bună a transmisiei.

CDMA

Tehnologiile digitale larg folosite ca servicii astăzi sunt completate de sistemul CDMA (Code Division Multiple Access), în folosinţă în SUA în paralel cu D-AMPS. CDMA este inovator în esenţă şi nu face uz de tehnicile convenţionale de acces la mediu, cum sunt divizarea în frecvenţă şi în timp.

În esenţă, CDMA este o tehnologie de transmisie în spectru larg, spre deosebire de AMPS şi GSM, care împart spectrul alocat în canale înguste. Un utilizator CDMA foloseşte întreg spectrul alocat sistemului. Coliziunile, care în domeniul digital înseamnă însumarea amplitudinilor, nu sunt tratate ca nefolositoare, ci sunt folosite pentru a ``extrage'' din secvenţa de date suprapuse datele trimise de staţii diferite.

Fiecare staţie din sistem are asignat un cod de acces la mediu, în forma unei secvenţe de 64 sau 128 de biţi. Transmiterea unui bit de date ``1'' se face nu transmiţând bitul în sine,

13

ci înlocuindu-l cu secvenţa de acces proprie; la fel, bitul ``0'' este codat ca secvenţa de acces negată. Pentru ca sistemul să funcţioneze, secvenţele de acces ale tuturor staţiilor din sistem trebuie să fie ortogonale două câte două (adică produsul secvenţelor, luate ca vectori, dă zero). Dacă această condiţie este îndeplinită, atunci dintr-o secvenţă de date rezultată din coliziunea mai multor transmisii se poate recupera secvenţa transmisă de o anumită staţie, cunoscând codul ei de acces, făcând un simplu produs între vectorul rezultat prin coliziune şi codul de acces respectiv (posibilitatea recuperării datorită ortogonalităţii are o demonstraţie algebrică simplă).

Cum pentru transmiterea unui bit de date în CDMA se transmite o întreagă secvenţă de biţi, pentru ca CDMA să aibă performanţe egale cu GSM trebuie ca banda de transmisie să fie mai mare. Astfel, CDMA operează într-o banda de 1.25 MHz (faţă de 30 sau 200 KHz la AMPS şi GSM), dar susţine mai mulţi clienţi decât celelalte sisteme, oferind aceeaşi lăţime de bandă per utilizator.

GPS (Global Positioning System)

Localizarea cu acurateţe în orice poziţie de pe glob a devenit imediată, odată cu lansarea proiectului GPS de către Departamentul de apărare al SUA. Iniţial un serviciu de localizare exclusiv pentru navigaţia militară, ulterior sistemul GPS a fost deschis pentru uz public.

Serviciul oferit de sistem unui receptor constă în calculul poziţiei geografice în cele trei dimensiuni ale spaţiului, al timpului universal şi al vitezei, prin decodificarea semnalelor radio primite de la sateliţii GPS.

Figura : Sistemul GPS

Sistemul GPS constă din trei segmente:

un segment aflat în spaţiu, în fapt o ``constelaţie'' de 24 de sateliţi GPS care orbitează Pământul. Fiecare dintre sateliţi parcurge lungimea unei orbite terestre o dată la fiecare 12 ore, la o înălţime de aproape 20000 km. Configuraţia celor 24

14

de sateliţi în jurul Pământului este proiectată astfel încât, în orice moment de timp şi în orice poziţie pe glob, între 5 şi 8 sateliţi sunt în raza de vizibilitate pe cer.

un segment de control al sistemului, format din staţii de monitorizare dispersate pe glob. Aceste staţii calculează, pe baza semnalelor recepţionate de la sateliţi, câte un model al orbitelor acestora (un sistem de efemeride), şi corecţia de care are nevoie ceasul fiecărei staţii pentru a fi complet sincrone. Datele astfel calculate sunt transmise către sateliţi, care vor trimite receptoarelor GPS setul de efemeride.

segmentul de utilizatori, care dispun de receptoare GPS. Acestea calculează pe baza semnalelor primite de la cel puţin 4 sateliţi aflaţi în raza de vizibilitate poziţia geografică şi timpul universal.

Bineînţeles, deşi sistemul e bine pus la punct, pot să apară erori dacă:

staţiile de control nu sincronizează precis ceasurile sateliţilor; efemeridele nu sunt actualizate; nu se pot calcula corect întârzierile semnalului radio în staturile atmosferice;

Soluţia acestor probleme este sistemul GPS diferenţial (DGPS), care foloseşte principiul simplu al calculului corecţiilor necesare într-un alt punct de referinţă, pentru fiecare satelit, şi aplicarea lor pentru receptor.

15