1. Stive de protocoale în Internet şi legătura cu QOS
Mihai Andrei Mihalache

2. Cuprins Introducere Scurt Istoric Protocoale Internet Modelul OSI
TCP şi stiva de protocoale TCP/IP
Comparaţie între modelul OSI şi modelului TCP/IP
Quality of service (QOS)
Maparea QOS de-a lungul stivei de protocoale
Arhitectura QOS

3. Introducere
Suita protocoalelor Internet este un model de reţea şi un set de protocoale de comunicaţii utilizate pentru Internet şi pentru alte reţele similare. Acesta este cunoscut sub numele de TCP/IP, datorită protocoalelelor sale deosebit de importante, Protocolul de control al transmisiei (Transmission Control Protocol - TCP) şi Protocolul Internet (Internet Protocol - IP), au fost primele protocoale de reţea definite în acest standard. Acesta este uneori cunoscut sub numele de modelul de DoD, deoarece dezvoltarea modelului reţelei a fost finantat de DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), o agentie a Departamentul de Aparare al Statelelor Unite.

4. Scurt Istoric
Stiva de protocoale Internet rezultată din cercetarea şi dezvoltarea efectuată de Agenţia de Apărare pentru Proiecte Avansate de Cercetare (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA), la sfârşitul anilor 1960.
După iniţierea ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network) în 1969, DARPA a început să lucreze la o serie de alte tehnologii de transmisiune de date.
În 1972, Robert E. Kahn s-a alăturat DARPA în Biroul de prelucrare a informaţiei, unde a lucrat la ambele reţele de pachete prin satelit şi reţelele terestre de pachete radio, şi a recunoscut valoarea de a fi în măsură să comunice în ambele reţele
În primăvara anului 1973, Vinton Cerf, dezvoltatorul protocolului ARPANET Network Control Program (NCP), s-a alăturat lui Kahn pentru a lucra la un model de interconectare, cu scopul de a proiecta următoarea generație de protocoale pentru ARPANET.

5. Protocoale Internet
Mulţimea de niveluri şi protocoale se numeste arhitectură de reţea. Există mai multe arhitecturi de reţea:

6. Modelul OSI
Modelul de referinţă OSI este primul model introdus în reţelele de comunicaţie. Deşi există şi alte modele de reţele, cei mai mulţi producători de reţele îşi relaţionează produsele cu Modelul de referinţă OSI, mai ales atunci când doresc să facă cunoscut utilizatorilor modul de folosire. Este considerat cel mai bun  în instruirea oamenilor pentru a putea trimite şi primi informaţie în cadrul unei reţele.

7. Problema transferului de informaţii între calculatoare se împarte în şapte mici probleme pe care modelul de referinţă OSI le trateaza în mod individual. Fiecare din cele şapte probleme este reprezentată de câte un nivel în cadrul modelului OSI. Cele 7 niveluri sunt următoarele:
1: Nivelul fizic
2: Nivelul legatură de date
3: Nivelul reţea
4: Nivelul transport
5: Nivelul sesiune
6: Nivelul prezentare
7: Nivelul aplicaţie

8. Nivelul aplicaţie
Nivelul aplicaţie este nivelul cel mai apropiat de utilizator. Presupune asigurarea suportului direct al aplicaţiilor utilizatorilor. Diferă de celelalte niveluri prin faptul că nu presupune servicii pentru nici un alt nivel din cadrul modelului OSI. 
Nivelul aplicaţie asigură comunicarea, sincronizarea aplicaţiilor şi stabileşte recuperarea datelor şi controlul integrităţii acestora. Deasemenea stabileşte dacă sunt resurse suficiente pentru a se efectua comunicarea. Acest nivel poate fi comparat cu browserele.

9. Nivelul Prezentare
Nivelul prezentare se asigură că informaţia transmisă nivelului aplicaţie al  sistemului se află într-un format acceptat  de nivelul aplicaţie al sistemulul receptor. El converteşte datele din formatul acceptat de reţea în formatul acceptat de calculator. Dacă e necesar, nivelul prezentare aduce informaţia din diversele formate de reprezentare la un format comun de reprezentare. Nivelul prezentare e asociat cu reprezentarea  în cod ASCII.

10. Nivelul Sesiune
Nivelul sesiune permite aplicaţiilor ce rulează pe terminale diferite să partajeze o conexiune logică numita "sesiune". Sesiunea reprezintă dialogul între două sau mai multe aplicaţii. Nivelul sesiune  asigură servicii nivelului prezentare. De asemenea, nivelul sesiune asigură funcţii de sincronizare a aplicaţiilor, precum şi verificarea informaţiilor transferate, astfel încât, în cazul unei întreruperi a comunicaţiei, la reluarea ei să nu fie necesar decât transferul informaţiilor pierdute în urma întreruperii. Nivelul 5 se referă la dialog şi conversaţie.

11. Nivelul Transport
Nivelul transport  segmentează la emisie pachetele mari de date provenite de la nivelul sesiune în pachete de dimensiune convenabilă nivelului reţea, iar la recepţie le reasamblează în pachetele originale. În timp ce nivelele aplicaţie, prezentare şi sesiune se preocupă de problemele aplicaţiilor,  celelalte trei nivele (fizic, legatură de date şi reţea) se ocupă de transportul datelor.
Nivelul transport presupune servicii de transport al datelor ce scutesc nivelurile superioare de implementarea detaliilor. Specifice acestui nivel sunt problemele legate de garantarea integrităţii şi a performanţelor serviciului. Pentru promovarea unui serviciu performant, nivelul transport deţine mecanisme de întreţinere şi ordonare a circuitelor virtuale, de detectare a erorilor şi recuperare a datelor, deţine informaţii despre fluxul datelor transmise pentru a preveni supraîncărcarea  unui sistem cu date.  Acest nivel este asociat cu performanţele serviciului oferit.

12. Nivelul Reţea
Nivelul reţea este un nivel complex ce presupune alegerea legăturii şi a căii optime dintre două sisteme terminale care pot fi localizate geografic în diverse reţele. Acest nivel este asociat cu selectarea caii, conversia adreselor şi cu deciziile de routare

13. Nivelul Legătură de date
Nivelul legatură de date realizează transferul fluxului de date prin intermediul unei singure legături de la un echipament la altul. Astfel caracterizat, nivelul legatură de date se preocupă de adresele fizice, topologia reţelei,  folosirea conexiunilor în cadrul unei reţele, notificarea erorilor, expedierea cadrelor şi controlul fluxului. Acest nivel este asociat cu împachetarea în cadre.

14. Nivelul Fizic
Prin nivelul fizic definim dispozitivele electrice, mecanice, folosite în activarea, întreţinerea şi dezactivarea legaturii fizice dintre doua sisteme terminale. Câteva din caracteristicile nivelului fizic ar fi  nivelul tensiunii, schimbările de tensiune, rata de transfer, distanţa maximă la care se poate face transferul, conectorii fizici şi multe alte atribute care se referă la partea fizică a unei conexiuni. Nivelul fizic e responsabil de transferul biţilor (a informaţiei) de la un calculator la altul.

15. TCP şi stiva de protocoale TCP/IP
Comunicarea între 2 maşini de calcul a fost realizată înca de la începuturile comunicaţiilor digitale cu ajutorul unei stive de protocoale ordonată pe mai multe nivele. OSI reprezinta una dintre primele structuri de comunicare ierarhica realizată de Organizaţia Internaţionala de Standardizare ISO.

16. Nivelul Aplicaţie al TCP/IP se ocupă de problemele reprezentării, codării şi a controlului dialogului. Stiva TCP/IP are prin intermediul nivelului Aplicaţie capacitatea de a oferi suport pentru transferul de fişiere, serviciul , serviciul de management al reţelei şi logarea de la distanţă.

17. Nivelul Transport are în componenţă protocolul TCP şi UDP.

18. TCP (Transmition Control Protocol) este un protocol de tipul Conection-Oriented. El este protocolul de transport preferat atunci când aplicaţiile care se utilizează de el au nevoie de un grad ridicat de control al fluxului de date şi control al erorilor .TCP realizeaza acestea prin mecanismul de Sliding Windows, prin sequence numbers şi acknowledgments. Un alt detaliu care îl deosebeşte de UDP este acela că TCP stabileşte operaţii end-to-end prin mecanismul three-way handshake.
UDP (User Datagram Protocol) este protocolul preferat de aplicaţiile ce nu necesita un control al transmisiunii deosebit. Avantajul său faţă de TCP este acela că nu consumă resurse prin susţinearea unor procese mai puţin relevante pentru acestea .

19. Nivelul Internet are rolul de a selecta cea mai bună cale către destinaţie. Principalul protocol care funcţionează la acest nivel este protocolul rutabil IP. Aici are loc determinarea celei mai bune căi şi switching-ul între pachete. Printre protocoalele care funcţioneaza la acest nivel putem enumera: IP, Internet Control Message Protocol (ICMP), Addess Resolution Protocol (ARP), Reverse Address Resolution Protocol (RARP)

20. Nivelul Acces Reţea al stivei TCP/IP este nivelul în sarcina căruia cad toate detaliile necesare pentru ca un pachet IP să aibă o legatură fizică în mediul reţelei. Include detalii ale tehnologiilor LAN şi WAN şi toate detaliile conţinute în nivelurile Fizic şi Data Link din stiva OSI. Serviciile ARP şi RARP lucrează inclusiv la nivelul Network Access.

21. Comparaţie între modelul OSI şi modelului TCP/IP
Asemanari
Amândouă au niveluri 
Amândouă au nivelul aplicaţie, deşi presupun servicii diferite 
Au nivelurile transport şi reţea comparabile 
Technologia comutării pachetelor (nu a circuitelor comutate) e prezentă
Profesionişti ai reţelelor trebuie sa le cunoască pe amândouă 

22. Deosebiri
TCP/IP combină problemele nivelurilor aplicaţie şi sesiune în nivelul aplicaţie 
TCP/IP combină nivelurile legatură de date şi nivelul fizic al modelului OSI într-un singur nivel
TCP/IP pare mult mai simplu pentru că are mai puţine niveluri
Protocoalele TCP/IP reprezintă standarde în jurul cărora s-a dezvoltat Internetul, aşa că modelul TCP/IP e mult mai răspândit din cauza protocoalelor sale. În opozitie, nici o reţea nu este construită în jurul protocoalelor modelului OSI, deşi toată lumea foloseşte modelul OSI pentru a evalua o reţea.

23. Quality of service (QOS)
Quality of service (QoS) este performanţa generală a unei reţele de telefonie sau de calculatoare, în special performanţa văzută de către utilizatorii reţelei.
Pentru a măsura cantitativ calitatea serviciilor mai multe aspecte legate de serviciile reţelei sunt luate în considerare, cum ar fi rata de eroare, lăţimea de bandă, viteza de transfer, delay-ul transmisiunii, disponibilitatea reţelei, bruiaj, etc.
Calitatea serviciilor este deosebit de importantă pentru transportul de trafic cu cerinţe speciale. În special, multă tehnologie a fost dezvoltată pentru a permite reţelelelor de calculatoare să devină la fel de utile ca şi reţelele de telefonie pentru convorbiri de voce, precum şi sprijinirea de noi aplicaţii cu cerinţe de servicii chiar mai stricte.

24. QoS se referă în mod uzual la operarea eficientă a diferitelor sisteme
QoS se referă în mod uzual la operarea eficientă a diferitelor sisteme. Ideea QoS este de a identifica problemele potenţiale pentru transmisia de date prin procesul supus analizei. Aceasta poate conduce la ajustarea unor proceduri sau la adaptarea unor programe software sau a unor coduri, pentru a atinge efectul dorit, în timp ce resursele la îndemană sunt utilizate cât mai judicios.
Ţelul oricărei evaluări QoS este de a minimiza incidenţa transmiterii problemelor şi a erorilor care pot sa rezulte din aceasta.
În cazul reţelelor de calculatoare, QoS este un termen larg utilizat pentru a descrie comportamentul general al unei reţele faţă de un utilizator sau un serviciu care utilizează respectiva retea. QoS include o arie largă de tehnologii, arhitectură şi protocoale. Operatorii reţelelor ating QoS capăt-la-capăt (end-to-end) asigurându-se că elementele reţelei realizează un tratament tehnologic consistent fluxului care traversează reţeaua.

25. O reţea sau protocol care suporta QoS poate conveni asupra unui contract de trafic cu software-ul aplicaţiei şi poate rezerva capacitate de în nodurile reţelei, de exemplu, în timpul unei faze de stabilire a sesiunii. În timpul sesiunii se poate monitoriza nivelul atins de performanţă, de exemplu, rata de date şi întârzierea, şi se pot controla dinamic programările priorităţiilor din nodurile reţelei.
QoS este uneori utilizat ca o măsură de calitate, cu multe definiţii alternative, în loc să se refere la capacitatea de a rezerva resursele. Calitatea serviciilor, uneori, se referă la nivelul de calitate a serviciilor, de exemplu, calitatea garantată a serviciilor. QoS mare este adesea confundat cu un nivel ridicat de performanţă sau de calitate a serviciilor realizate, de exemplu, rata de biți mare, latenţă redusă şi probabilitate eroarii de biţi scăzută.

26. Maparea QOS de-a lungul stivei de protocoale
Nivelul Legatură de date – Data Link layer QoS
Fiecare nivel de legatură (link layer) are un tip diferit de tehnologie QoS care poate fi implementată.
Cele mai întâlnite nivele de conectare sunt:
Ethernet
PPP
MPLS
DOCSIS

27. Ethernet
Este o familie de tehnologii de reţea bazată pe pachete pentru Local Area Networks (LAN). Ethernet defineşte un număr de standarde de cablare şi semnalizare pentru nivelul fizic (Physical Layer) din modelul OSI, şi deasemenea un format comun de adresare şi o varietate de proceduri Medium Access Control la partea inferioara a nivelului legătură de date.
Ethernet (IEEE 802.3) are două posibile mecanisme QoS. Un mecanism este prin intermediul 802.1p, care permite 8 clase de serviciu. Al doilea mecanism este prin intermediul VLAN, acolo unde traficul poate fi separat, izolat şi prioritizat prin intermediul VLAN ID

28. IEEE P802.1p oferă un mecanism pentru implementarea QoS la nivelul MAC (Media Access Control). Tehnica de QoS dezvoltată este un câmp de 3 biţi numit Priority Code Point (PCP) în cadrul headerului Ethernet al cadrului. El specifică o valoare a priorităţii între 0 şi 7, care poate fi folosită de tehnologiile QoS pentru a diferenţia traficul. Deşi această tehnică este denumită în mod uzual IEEE 802.1p, nu există niciun standard sau amendament al IEEE cu această denumire. Mai degrabă tehnica este încorporată în standardul IEEE 802.1Q care specifică eticheta într-un cadru Ethernet.

29. PCP
Priority
Acronym
Traffic Types 1
0 (lowest) BK
Background BE
Best Effort 2 EE
Excellent Effort 3 CA
Critical Applications 4 VI
Video, < 100 ms latency and jitter 5 VO
Voice, < 10 ms latency and jitter 6 IC
Internetwork Control 7
7 (highest) NC
Network Control
Opt clase diferite ale serviciului sunt disponibile exprimate prin domeniul 3-bit PCP în afara IEEE 802.1Q adăugat la frame.

30. Virtual LAN (VLAN) este un grup de gazde cu un set comun de solicitări, care comunică ca şi cum ar fi ataşate la acelaşi domeniu de transmisie, independend de locaţia lor fizica. Un VLAN are aceleaşi atribute ca si un LAN fizic, dar permit staţiilor finale (utilizatorilor finali) să fie grupaţi împreuna chiar dacă nu sunt localizaţi pe acelaşi switch al reţelei. Reconfigurarea reţelei poate fi realizată din software în loc să fie relocate fizic echipamentele. Totuşi, spre deosebire de reţelele separate fizic, VLAN-urile trebuie să împartă lătimea de banda. VLANs au fost create pentru a realizeze segmentarea serviciilor, actiune realizata in mod traditional de catre routere in configurarile LAN. VLANs trateaza problematici precum scalability, security şi network management.
Protocolul cel mai utilizat astazi pentru configurarea VLANs este IEEE 802.1Q

31. MAC Address
O adresă Media Access Control (MAC address) este un identificator unic asignat interfeţelor pentru comunicaţii pe segmentul fizic al reţelelor. MAC Adress este utilizată pentru mai multe tehnologii de reţa dar cel mai mult pentru tehnologiile IEEE 802, incluzând Ethernet. MAC Adress este utilizată în sub-layerul protocolului Media Access Control din modelul de referinta OSI
Adresele MAC sunt de cele mai multe ori asignate de catre producatorul unui card de interfaţă (NIC) şi sunt stocate în hardul acestuia sub forma unei memorii read-only.

32. MPLS
Multiprotocol Label Switching (MPLS) este un mecanism în reţelele de telecomunicaţii de înaltă performanţă care direcţionează şi transportă date dintr-un nod de reţea către urmatorul nod cu ajutorul „etichetelor”. MPLS creaza “virtual links” între noduri depărtate. Acest mecanism poate încapsula pachete ale diferitelor protocoale de reţea.
Într-o reţea cu MPLS pachetelor de date le sunt asignate “etichete”. Decizia de înaintare a pachetelor este realizată doar în contextul acestor “etichete”, fără ca pachetele în sine să fie examinate.
Avantajul este faptul că este eliminată dependenţa de o anumită tehnologie Data Link Layer, cum sunt ATM, Frame Relay, SONET sau Ethernet şi elimină nevoia pentru multiple reţele de Layer 2, care trebuie să satisfacă diferite tipuri de trafic.
MPLS operează la un layer al Modelului OSI considerat a sta între definiţiile standard ale layerului 2 (Data Link Layer) şi layerul 3 (Network Layer) şi astfel este numit usual Protocol de Layer 2,5

33. PPP
Point-to-Point Protocol sau PPP este un protocol la nivelul legăturii de date, utilizat de obicei pentru a stabili o conexiune directă între două noduri ale reţelei. Poate oferi autentificarea conexiunii, compresia mesajului şi confidenţialitatea prin criptarea transmisiunii.
PPP este utilizat în multe tipuri de reţele fizice, incluzând cablu serial, linie telefonică, telefonie celulară, legături radio speciale şi legături din fibra optică (SONET). Cel mai mult se utilizează PPP pentru legături de tipul dial-up la internet.

34. DOCSIS
Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) este un standard pentru telecomunicaţii internationale care permite realizarea de transferuri de date cu viteză ridicată pe un sistem CATV. Este utilizat de multi furnizori de CATV pentru a furniza acces la Internet (cable Internet) pe o structurp hibrid fibra optica cablu coaxial (HFC).

35. Nivelul Reţea – Network layer QoS
Servicii diferenţiate (Differentiated Services) sau DiffServ este o arhitectură de reţea de calculator care specifică un mecanism simplu, scalabil şi grosier de clasificare şi gestionare a reţelei de trafic şi de furnizarea de calitate a serviciilor (QoS), pe reţele IP moderne. DiffServ poate, de exemplu, să fie folosit pentru a oferi latenţă scazută (low-latency) traficului critic în reţea, cum ar fi mass-media de voce sau de streaming oferind în acelaşi timp servicii best-effort pentru servicii non-critice, cum ar fi transferurile de trafic web sau fişiere.
DiffServ utilizează un câmp de 6 biţi numit Differentiated Services Code Point (DSCP), amplasat în headerul pachetelor IP cu scopul de clasificare a pachetelor respective. DSCP înlocuieşte predecesorul sistem depăşit al IP, cu un câmp de 3 biţi în Type of Service (TOP), utilizat iniţial pentru a clasifica şi a prioritiza tipurile de trafic

36. Nivelul Transport – Transport layer QoS
Resource Reservation Protocol (RSVP) este un protocol de Transport Layer conceput pentru a rezerva resurse într-o reţea pentru servicii Internet integrate. RSVP operează cu IPv4 sau IPv6 Internet Layer şi oferă configurare inişiată de receptor, resurse rezervate pentru fluxul de date multicast sau unicast. El nu transportă date de aplicaţie, dar este similar cu un protocol de control, cum ar fi Internet Control Message Protocol ( ICMP ) sau Protocolul Internet Management Group (IGMP).
RSVP poate fi utilizat fie de către fie gazdele sau routere pentru a solicita sau de a oferi niveluri specifice de calitate a serviciilor (QoS) pentru fluxuri de date.

37. Arhitectura QOS
Arhitectura de bază QoS introduce trei piese fundamentale pentru implementarea QoS:
Tehnici QoS de identificare şi marcaj pentru coordonarea pachetelor (ramelor) QoS de la un cap la celălat al reţelei printre elementele reţelei
QoS în interiorul unui singur echipament al retelei (spre exemplu alinierea la coada, programarea şi uneltele de modelare a traficului)
Funcţiunile QoS pentru politică, management şi contabilitate pentru controlul şi administrarea traficului de la un capăt la celalat al reţelei

39. Aplicaţii QOS Mass-media streaming
Televiziune prin internet (IPTV)
Audio over Ethernet
Audio over IP
Telefonie IP , de asemenea, cunoscut sub numele de Voice over IP (VoIP)
Videoconferinţe
Teleconferinţe
Aplicaţii de stocare Circuit Emulation Service
Aplicaţii esenţiale de siguranţă, cum ar fi o intervenţie chirurgicala la distanţă în cazul în care problemele de disponibilitate pot fi periculoase
Operaţiunile de reţea de sprijin a sistemelor, fie pentru reţeaua în sine , sau pentru nevoile critice de afaceri ale clienţilor
Jocuri online, unde decalaj de timp real (lag) poate fi un factor
Sisteme de control industriale, protocoale, cum ar fi Ethernet/IP, care sunt utilizate pentru controlul în timp real a maşinilor

40. Vă mulţumesc