-Partie4- Les Réseaux Locaux Informatiques -Principes-

Transcription

1 -Partie4- Les Réseaux Locaux Informatiques -Principes- PLAN GENERAL Bibliographie Les principes des réseaux locaux informatiques (RLI) Les supports Les topologies Les techniques d accès Les RLI de 1ere génération Ethernet 1-10 Mbps Token Ring Token Bus Appletalk Les RLI de 2eme génération Fast Ethernet et Fast Token ring 100 Mbps FDDI, DQDB Les RLI de 3eme génération Gigabit Ethernet ATM LAN Wireless LAN 1

2 BIBLIOGRAPHIE Les principales références bibliographiques en français sont : Guy Pujolle - Les réseaux. - Eyrolles. Gérard Mourier - Guide des réseaux locaux - Marabout Mammeri - Réseaux Locaux Industriels -Eyrolles Maurice Gagnaire - Réseaux Hauts Débits ATM et RLI - Interedition Ahmed Mehaoua 1999 PLAN Partie 1 : Les principes des RLI Définition / Applications / Objectifs d un RLI Les caractéristiques d un RLI Architecture IEEE la couche physique la couche MAC la couche LLC Les Supports physiques cuivre, coax, fibre optique, hertzien Les topologies Bus, étoile, anneau, arbre Les techniques d accès aux supports statiques dynamiques aléatoire dynamique déterministes 2

3 DEFINITION D UN RLI Les réseaux locaux informatiques (en anglais LAN, Local Area Network) sont destinés principalement aux communications locales, généralement au sein d'une même entité (entreprise, administration, etc), sur de courtes distances (quelques kilomètres au maximum). Les LAN classiques offrent des débits de l ordre de Mbps, les plus évolués permettent d atteindre 100 Mbps, les réseaux à 1 Gbps sont même annoncés aujourd'hui. APPLICATIONS DES RLI On distingue deux grands domaines d'applications des RLI: La bureautique L industrie. 1. RLI Bureautique: Dans un environnement bureautique, un RLI sert à relier les équipements tels les terminaux, les ordinateurs personnels, les imprimantes, les stockages de masse (disque dur), etc... Des contraintes de temps souples mais exigent des débits élevés. 3

4 APPLICATIONS DES RLI (2) 2. RLI Industriel: Les RLI sont aussi l'élément clé dans des environnements industriels automatisés ou FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur). Dans ce cas, ils sont utilisés surtout pour interconnecter de divers équipements de contrôle et de mesure, par exemple capteurs et robots. L'exigence temps-réel est très importante pour pouvoir transmettre les mesures et commandes à temps. Les Débits sont plus réduits La fiabilité estunautrefacteurimportant,ceproblèmeest àlafois plus critique (une chaîne de production ne saurait tolérer une fausse commande) et plus difficile à résoudre (un environnement industriel est générateur des perturbations électromagnétiques) que celui pour la plupart des applications bureautiques. OBJECTIFS DES RLI Les réseaux locaux répondent donc à trois besoins majeurs : 1. Les besoins liés à l informatique (pour les réseaux bureautiques) 2. Les besoins liés à l automatique ( Pour les RLI industriels) 3. Les besoins entre les hommes (communication et productivité) 4

5 OBJECTIFS DES RLI (2) 1. Les besoins liés à l informatique : Accès à distance et partage de moyens informatiques (serveur, calculateur, téléphone, équipements vidéo, imprimante, scanner, sauvegarde...) Accès à distance et partage de fichiers (données et programmes: bibliothèque et logiciels de C.A.O.) Mise à jour de fichiers développés par des utilisateurs distants. OBJECTIFS DES RLI (3) 2. Les besoins liés à l automatique : La commande de machines (Partie Commande et Partie Opérative): échange avec des capteurs et actionneurs dotés d une électronique de traitement de données. Coordination de plusieurs machines Supervision active (envoi de paramètres) et/ou passive Téléchargement de programmes pour rendre flexible la fabrication 5

6 OBJECTIFS DES RLI (4) 3. Les besoins entre les hommes Téléphonie et messagerie (mail, boîtes aux lettres) Travail collaboratif (vidéoconférence, tableau-de-bord, ) PARTICULARITES DES RLI Les trois particularités les plus marquantes des RLI sont : 1. Gestion autonome - choix du matériel, installation, administration - plusieurs solutions sur le marché 2. Réseau à diffusion et Support physique partagé - mode de transmission qui consiste à diffuser toutes les informations vers l ensemble des stations du réseau, - ce mode est imposé par l utilisation d un médium unique partagé entre toutes les stations 3. Transmission en bande de base. - codage Manchester ou Manchester diff. 6

7 PARTICULARITES DES RLI (2) Les conséquences des particularités techniques des RLI sont : 1. Les problèmes des accès concurrents - trouver une technique de partage du média (si possible équitable) - pris en charge par le protocole de niveau liaison 2. Les problèmes de confidentialité et de sécurité - Exemple : interception des mots de passe des usagers - pris en charge par les systèmes d exploitation (cryptographie) CARACTERISTIQUES DES RLI Les différentes solutions de RLI se distinguent par trois choix techniques 1. Le type de topologie 2. Le type de support physique 3. La technique d accès au support = un réseau local informatique particulier Exemple de RLI : Ethernet 10baseT 7

8 CARACTERISTIQUES DES RLI (2) Ces trois choix techniques vont définir d autres propriétés techniques : 1. La capacité binaire ( Mbps) 2. La fiabilité (erreurs, temps réel, équité, ) 3. La Configuration (insertion/retrait de stations, connectivité, distances maximales,... ) NORMALISATION DES RLI Deux organismes s intéressent aux normes dans les RLI : IEEE (Architecture IEEE) - création du comité 802 en 1980 ANSI - définition ponctuelle de RLI. Exemple : FDDI 8

9 NORMALISATION DES RLI (2) Contraintes fonctionnelles pour l IEEE : - Au moins 200 unités connectées le long d un segment - Etendue du réseau : de 2 km à 50 km - Débit : de 1 Mbit/s à 100 Mbit/s (voire 1 Gbit/s) - Taux d erreur : négligeable (10 e-14) - Broadcast et Multicast ARCHITECTURE IEEE (802) IEEE ne s interresse qu aux spécifications techniques des couches basses : Physique Liaison. Le modèle IEEE comporte 3 couches : Physique MAC Medium Access Control LLC Logical Link Control 9

10 ARCHITECTURE IEEE (802) (2) la couche physique : On retrouve les mêmes fonctionnalités, essentiellement celles des interfaces physique et électrique La couche Liaison : En ce qui concerne la couche liaison, il faut se rappeler que le modèle OSI implicitement considère une liaison point-à-point, alorsqu unréseau local doit d abord résoudre le problème d accès pour pouvoir établir une liaison avec son correspondant. Cette liaison sera de surcroît virtuelle, car d autres liaisons utiliseront le même support physique. ARCHITECTURE IEEE (802) (3) La couche Liaison (suite) : On divise alors la couche liaison en deux sous-couches (sub-layer). 1) une sous-couche MAC (de l anglais Medium Access Control, Contrôle d accès au médium) qui a pour rôle d'assurer le partage équitable du support entre tous les utilisateurs; et 2) une sous-couche LLC (de l anglais Logical Link Control, Gestion des liaisons logiques) qui a pour mission de gérer les communications entre stations d'une part, et d'assurer l'interface avec la couche RESEAUX d'autre part. 10

11 ARCHITECTURE IEEE (802) (3) Security and Privacy Application Secure Data Exchange Overview Architecture and Management CSMA/CD Jeton sur Anneau Bridging Logical Link Control Jeton sur bus DQDB SMDS Slotted Ring Sans Fil 100VG AnyLan Liaison MAC Broadband TAG (ISDN) Physique Fiber Optic TAG (FDDI) LA COUCHE PHYSIQUE LES ELEMENTS PHYSIQUES Ensembles des composants physiques nécessaires pour la transmission physique Support physique Prise (connecteur BNC, RJ45) Adaptateur (codeur) Interface Carte coupleur (Medium access Unit) (contrôleur de communication) 11

12 LA COUCHE PHYSIQUE LES SUPPORTS PHYSIQUES Paires de cuivres torsadées - non blindées (UTP Unshielded Twisted Pair) - 5 catégories - blindées (STP Shielded Twisted Pair) - 3 catégories Classe 1et 2 Faible vitesse RS Bauds 3 10Mb/s sur 100m Ethernet 10 BASE T 4 16Mb/s sur 100m Token ring 16 Mb/s 5 Jusqu à 100 Mhz Ethernet 100 BASE T Câble coaxial (50 Ohm) ou CATV (75 Ohm) Fibre Optique - mono-mode (SM) - multimode (MM) Ondes Hertziennes LA COUCHE PHYSIQUE LES TOPOLOGIES LOGIQUES ET PHYSIQUES 12

13 LA COUCHE PHYSIQUE LES TOPOLOGIES LOGIQUES ET PHYSIQUES (2) LA COUCHE PHYSIQUE LES MODES DE TRANSMISSION Il existe 2 types de transmission des signaux dans les RLI: la transmission en bande de base et la transmission en large bande 13

14 LA COUCHE PHYSIQUE LES MODES DE TRANSMISSION (2) La transmission en large bande - La méthode utilisée est le multiplexage en fréquence - On créés plusieurs canaux en divisant la bande passante en plusieurs sous-bande de fréquences. - On peut donc avoir plusieurs communications en même temps. - Chaque station possède un modem qui lui permet de choisir le mode de communication (numérique ou analogique) le plus adéquate pour le type de donné à transmettre. - Très peu utilisé. LA COUCHE PHYSIQUE LES MODES DE TRANSMISSION (3) La transmission en bande de base - Il y a un seul canal. - Les utilisateurs utilisent le même support séquentiellement. - Le partage du temps ce fait par multiplexage temporel synchrone ou asynchrone. En synchrone chaque utilisateur reçoit un temps à intervalle régulier ou il dispose de la main. En asynchrone l utilisateur reçoit la main à sa demande et reste prioritaire jusqu à la fin de sa transmission. - Le plus utilisé en RLI. 14

15 LA COUCHE MAC MEDIUM ACCESS CONTROL Le but d'un protocole de gestion d'accès au canal (MAC) est de régler les conflits qui peuvent se produire si on laisse tous les usagers émettre sans aucune règle. 3 Différentes techniques d'accès ont été proposées : allocation statique allocation dynamique avec accès aléatoire allocation dynamique avec accès déterministe LA COUCHE MAC ALLOCATION STATIQUE TDMA (Time Division Multiple Access) Fréquence Capacité canal Temps FDMA (Frequency Division Multiple Access) Fréquence Capacité canal Temps 15

16 LA COUCHE MAC ALLOCATION DYNAMIQUE Cette famille de protocoles d'accès se caractérise par l'allocation dynamique de la bande passante, c'est-à-dire que l'allocation de toute ou une partie de la bande passante à une station n'est effectuée qu'à la demande de celle-ci. Une meilleure utilisation de la bande passante. Technique réellement utilisé dans les RLI. Suivant la façon dont les sollicitations d'accès sont gérées, on distingue essentiellement deux approches : Aléatoire : le délai d accès n est pas borné : Déterministe : il est possible de borner le délai d accès LA COUCHE MAC ALLOCATION DYNAMIQUE ALEATOIRE Les méthodes d accès aléatoires L intégralité de la bande passante est disponible pour toutes les stations Libre accès à la transmission sur le support Conflits d accès - Collisions Méthodes existantes : Aloha Aloha en tranches CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) 16

17 ALOHA [Abramson 70] Utilisé dans le réseau hertzien à Hawaï(entre les îles) Principe Emetteur - Station émet dès qu elle a une information à envoyer - Déclenchement d un temporisateur et attente d un acquittement: -Si aucune réponse Si nombre de tentatives de retransmission dépassé Alors arrêter la transmission Sinon retransmission de l information Récepteur - Traitement de l information reçue - Si Trame correcte alors envoi d un acquittement ALOHA EN TRANCHE Amélioration de la méthode Aloha Découpage de l échelle temporelle en tranches de temps Emission autorisée uniquement au début de tranche 17

18 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) [Metcalfe 70] Principe : le temps d émission d une trame > temps de propagation alors toute emission de trame peut être détectée par toute les stations quasi instantanément. D où écoute préalable du canal. Emetteur - Ecoute du canal avant l envoi -Sile canal est libre Alors transmission de l information (suivre le même principe que Aloha) Sinon reporter la transmission Récepteur - Traitement de l information reçue - Si vérification aboutie alors envoi d un acquittement LA COUCHE MAC CSMA (2) Variantes lors du report de la transmission : CSMA non-persistant - Attente pendant un délai aléatoire avant de réitérer la procédure CSMA persistant - Prolongation de l écoute du canal jusqu à ce qu il soit disponible CSMA p-persistant - Emission avec une probabilité p et diffère l émission avec une prob. (1-p) 18

19 CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) Amélioration de la méthode CSMA persistant Principe : Emetteur - Ecoute du canal -Sile canal est libre Alors transmission de l information et écoute simultanée du canal pour détecter une éventuelle collision Si collision détectée Alors - Arrêt immédiat de la transmission et notification de la collision à toute les stations - Gestion de la collision Sinon reporter la transmission Exemple : Ethernet CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) Même principe que CSMA/CD A la fin d une transmission, une station doit attendre un délai avant de transmettre à nouveau. Ce délai dépend de la position de la station dans une liste logique de stations (priorité) Remarque : pourqu une station puisse détecter la collision, il faut que le temps d emission de la trame soit au moins égale à 2 fois le temps aller entre les stations les + éloignées 19

20 ALLOCATION DYNAMIQUE ALEATOIRE (6) S1 commence sa transmission t 0 t 0 + t -ε S2 commence sa transmission t 0 + t S2 détecte la collision, arrête sa transmission et émet la séquence de bourrage t t S1 détecte la collision ALLOCATION DYNAMIQUE DETERMINISTE L intégralité de la bande passante est disponible pour toutes les stations Permission d accès à la transmission sur le support Une seule station transmet à la fois - Complexité de gestion de la permission d accès Les 3 différentes Méthodes : Accès par Polling (centralisée) Accès par jeton non adressé sur anneau (décentralisée) Accès par jeton adressé sur bus (décentralisée) 20

21 LE POLLING Politique d attribution de permission d accès centralisée Principe : Station primaire (SP) - Gestion de l accès au support selon une table de scrutation - Relayage des messages vers la ou les stations destinataires (topologie en étoile) Station secondaire (SS) - Transmission des informations autorisée par la SP - Réception des informations ALLOCATION DYNAMIQUE DETERMINISTE (3) JETON NON ADRESSE SUR ANNEAU Permission d accès au moyen d une trame spéciale: le jeton Topologie en anneau Un sens unique de parcours de l informations transmises sur l anneau Principe : - Jeton circule librement sur l anneau D Emetteur - Acquérir le jeton (le jeton dvient occupé) - Transmission de l information - Attente du retour de l information pour la retirer de l anneau - Remettre le jeton libre sur l anneau jeton A C B Récepteur - Vérifie si l information lui est destinée Si oui la traiter (la copie) Retransmettre l information sur l anneau Exemples de LAN: Token-Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 21

22 ALLOCATION DYNAMIQUE DETERMINISTE (4) JETON ADRESSE SUR BUS Permission d accès aumoyend une trame spéciale: le jeton Topologie en bus Pasdesensuniquedetransmission diffusion de l information sur le support Principe : -Jeton«passe» d une station à l autre selon une relation établie parmi les stations du réseau (liste ordonnée d adresses) B C anneau virtuel A Station sens de la rotation du jeton Terminator D E F stations à insérer ALLOCATION DYNAMIQUE DETERMINISTE (5) JETON ADRESSE SUR BUS (suite) Emetteur Gestion de station (prédécesseur et successeur) Attente de la possession du jeton adressé par le prédécesseur Transmission de l information sur le support Envoyer le jeton qu sucesseur Récepteur Vérifie si l information lui est destinée Si oui alors la traiter (la copie) Sinon Retransmettre l information sur l anneau Exemples de LAN: Token-Bus (RL Industriels) 22

23 ADDRESSAGE MAC 802 Le but final n est pas d accéder au support et faire partir des trames, mais surtout qu elles arrivent à bon port. Or, dans un réseau local, il n y apasde commutateur qui relie deux stations en communication. Solution : chaque station reçoit un identificateur, appelé adresse, qui lui est propre cet identificateur est inclus dans toutes les trames qui lui sont destinées la station examine toutes les trames et en capture celles portant son adresse. FORMAT DES ADDRESSES MAC 802 Le comité IEEE 802 a défini un mécanisme d'adressage commun à tous ses protocoles MAC. Dans l'en-tête de chaque trame MAC se trouve toujours un couple (DA, SA), où : SA : (de l anglais Source Address) identifie l'émetteur, DA : (de l anglais Destination Address) identifie le(s) destinataire(s). Le fait que les trames sont physiquement diffusées permet d avoir des destinations multiples (adresses multicast ou broadcast), et donc d éviter à occuper le médium par des transmissions répétitives. 23

24 ADDRESSES MAC 802 COURTES ET LONGUES IEEE 802 a défini deux formats d'adresse : un format court sur 16 bits et un format long sur 48 bits. I/G (longueur non proportionnelle) (bit) I/G Le format court est destiné aux réseaux de faible étendue (jusqu à 16K stations), dans le but de réduire la taille de l'en-tête (peu utilisé dans les RLI). Le format long offre un mécanisme d'adressage beaucoup plus puissant, puisqu'il permet d'offrir, outre un espace d'adresse très important (2 46 adresses), il offre deux types d'adressage : local et universel. ADDRESSAGE MAC 802 UNICAST - MULTICAST - BROADCAST Dans les deux formats, le 1er bit de plus faible poids I/G permet de distinguer les différents types d'adresse : Le 1er bit (I/G) del adresse indique : = 0 adresse d une station unique (unicast) = 1 adresse d un groupe de stations (multicast) Si tous les bits de l adresse à 1, alors trames adressée à toutes les stations du réseau : Adresse de diffusion ou broadcast 24

25 ADDRESSAGE MAC 802 LOCALE - UNIVERSELLE Dans les deux formats, le 2nd bit de plus faible poids U/L permet de distinguer les différents types d'adresse : Le 2nd bit (U/L) del adresse indique : = 0 adresse administrée localement (adresse relative) = 1 adresse administrée globalement (adresse absolue unique) ADDRESSE LOCALE MAC 802 Les adresses locales (U/L=L=1) sontdéfinies et gérées par l'ingénieur réseau. Celui-ci peut donc optimiser le plan d'adressage pour le besoin de son entreprise. Par exemple, il peut choisir un plan hiérarchique. Par exemple, selon le format des adresses locales suggéré par la norme IEEE 802.5, les réseaux (anneaux) physiques sont identifiés par leur numéro d'anneau (RN=Ring Number), les stations d'un même anneau sont reconnues par la partie du plus faible poids de leur adresse I/G RN (longueur non proportionnelle) I/G 1 RN Figure Format des Adresses locales suggéré par IEEE Il faut signaler cependant que les adresses locales sont valables, comme il se doit, uniquement à l'intérieur d'un réseau particulier. 25

26 ADDRESSE UNIVERSELLE MAC 802 Les adresses universelles (U/L=U=0) sont valables quelque soit le réseau de leur localisation. Ces adresses sont définies et gérées par un seul organisme au niveau mondial, en l'occurrence l'ieee, dont le rôle principal est de garantir l'unicité de chacune des adresses universelles à travers le monde. Cette garantie est réalisée delafaçon suivante : Une adresse universelle est divisée en deux parties de 24 bits (3 octets) chacune. La partie du plus faible poids représente l'oui (Organizationnaly Unique Identifier) qui est affectée par l'ieee à une et une seule organisation (un constructeur de cartes Ethernet par exemple) qui en fait la demande. Il revient à ces organisations de compléter, pour chaque adresse, la deuxième partie de celle-ci qui occupe les 24 bits, en veillant à l'unicité de l'affectation dans cette zone qui est sous leur administration. Une adresse ainsi définie sera alors unique au monde. Les deux drapeaux d une adresse universelle sont nécessairement I/G=I et U/L=U. ADDRESSE UNIVERSELLE MAC 802 (2) Numéro Constructeur Numéro de série Carte OUI user-specific Figure Format des adresses universelles de l'ieee 26

27 LOGICAL LINK CONTROL (LLC) Le but du protocole LLC est de fournir une garantie de livraison des messages appelés LSDU (Link Services Data Unit), la détection et la reprise sur erreur. L'envoi d'un datagramme (ou paquet ne garantit pas à son émetteur que le ou les destinataires ont reçu ce message. Sous-couche commune des sous-couches MAC (Dérivée de HDLC) Propose 3 niveaux de service (qualité): LLC1 - service sans connexion et sans acquittement LLC2 - service avec connexion et ack LLC3 - service sans connexion et avec acquittement au choix LA COUCHE LOGICAL LINK CONTROL (LLC) Offre l interface d accès à la couche Liaison Primitives sans connexion L_DATA.request L_DATA.indication Primitives avec connexion L_CONNECT (request, indication, response, confirm) L_DATA_CONNECT (request, indocation, response, confirm) L_DISCONNECT (request, indication) L_RESET (request, indication, response et confirm) L_CONNECT_FLOW_CONTROL (request, indication) 27

28 LLC TYPE 1 service sans connexion et sans acquittement service sans connexion et sans acquittement Ce service est le minimum requis pour transmettre des messages. LLC TYPE 2 service avec connexion et avec acquittement Letype2permetdecréer et gérer des échanges sur connexion. Les données échangées sont acquittées, leur ordre est vérifié, les erreurs et doubles sont détectés, un contrôle de flux est assuré. Pour réaliser ces services un mécanisme de numérotation est utilisé et un protocole de gestion de la liaison est mis en oeuvre. Les connexions établies ne peuvent l'être qu'entre deux correspondants. Aucun service multipoint n'a été conçu. Le service de type 2 garantit une bonne qualité de échanges. 28

29 LLC TYPE 3 service sans connexion et avec acquittement au choix Le type 3 cherche à améliorer la fiabilité des échanges sans pour autant avoir un coût de gestion difficile à maîtriser. Ce service sans connexion est appelé datagramme acquitté permet d'envoyer des LSDU, qui seront acquittées individuellement. Conçu pour les applications temps réel ce service n'assure pas de retransmission des données. Si l'acquittement arrive dans le délai imparti une confirmation positive est fournie à l'émetteur, sinon une confirmation négative informe celui-ci que son message peut ne pas être arrivé. DIFFERENCES ENTRE LLC et HDLC La taille maximale de la fenêtre d'anticipation est de 7 dans HDLC et 127 dans LLC. La commande SREJ n'existe pas dans LLC (utile pour un canal bruité - RTT long) HDLC offre plusieurs modes de connexion, alors que dans un réseau local, seul le mode ABME (mode asynchrone équilibré étendu) a un sens. 29

30 ADRESSAGE LLC LLC offre la possibilité de multiplexer plusieurs connexions réseaux sur une seule liaison : au moyen des DSAP (Destination SAP) et SSAP (Source SAP) codés sur 1 octet. Champ contrôle identique que pour HDLC (distingue les typesdetrames:u,s,i) MAC-H M-SDU=LLC-PDU FCS octet: DSAP SSAP CTRL L-SDU (1=U, 2=I,S) 30