Les réseaux Ethernet. Architecture protocolaire

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1 Les réseaux Ethernet Les origines 1970 : développement au centre de recherche Xerox de Paolo Alto 1980 : publication des spécifications Ethernet comme standard industriel 1983 : Ethernet 10 Mbps devient un standard IEEE puis une norme ISO Les évolutions Début des années 80 : utilisation du câblage coaxial Fin des années 80 : mise en œuvre de la fibre optique Début des années 90 : mise en œuvre de câblage en paires torsadées Début des années 90 : développement de la commutation Ethernet et de Fast Ethernet (normalisé en 1995) : normalisation et commercialisation de Gigabit Ethernet Année 2000 : début des travaux sur Ethernet 10 Gbps Les avancées majeures La commutation Ethernet et le full-duplex 1 Architecture protocolaire Couches OSI et normalisation IEEE Définition des couches Physique et Liaison Couche Réseau Paquet Couche Liaison Sous-couche LLC (Logical Link Control) Sous-couche MAC (Medium Access Control) IEEE IEEE MAC LLC LLC Paquet Paquet MAC Couche Physique 2

2 En bus Organisation logique Quand une trame est émise par une station, elle est transmise directement à toutes les autres stations Station A Station B Station C Station D Bus Une trame émise par A à destination de D est transmise directement à B, C et D sans distinction 3 Organisation physique En étoile pour les réseaux les plus simples Dans le cas de supports en paires torsadées ou fibres optiques, chaque station est reliée au port d un hub ou concentrateur Station A Station B Hub Station D Station C 4

3 Organisation physique En arbre d étoiles dans les cas les plus complexes Les hubs sont connectés en arbre par l intermédiaire de ports standard ou port «uplink» (symbolisé en noir) LTE-2 LTE-1 LN 5 Objectif principal Sous-couche MAC Contrôler l accès au canal de transmission (Medium Access Control) pour éviter toute collision entre trames Station A Station B Station C Station D Bus Une trame émise par A à destination de D peut rentrer en collision avec une trame émise par B à destination de A 6

4 Principe de base Protocole CSMA/CD Carrier Sense (écoute de porteuse) Une station ne peut transmettre une trame que si le canal est libre depuis plus d un intervalle de temps donné Multiple Access (accès multiples) Toutes les stations ont accès au même canal Collision Detection (détection de collisions) Une station qui transmet une trame écoute en même temps le canal pour détecter une collision éventuelle Jamming (brouillage) Une station qui a détectée une collision continue à émettre des bits de brouillage pour que les autres stations détectent aussi la collision Waiting (attente) Une station qui a participé à une collision attend un temps aléatoire avant d essayer de retransmettre sa trame 7 Deux formats de trames Trame IEEE Deux standards de fait Trame Ethernet 2 DIX (Digital, Intel, Xerox) Entre 64 et 1526 octets Préambule (7) Délimiteur de début de trame (1) Adresse MAC destination (2 ou 6) Adresse MAC source (2 ou 6) Longueur de la trame LLC (2) Préambule (7) Délimiteur de début de trame (1) Adresse MAC destination (6) Adresse MAC source (6) Type de trames (2) Entre 38 et 1500 octets Trame LLC Bourrage ou Padding Contrôle d erreur (4) (code CRC) Données Bourrage ou Padding Contrôle d erreur (4) (code CRC) 8

5 Préambule Champs des trames 7 octets de synchronisation (7 x ) Délimiteur de début de trame 1 octet ( ) Adresses destinataire et source Adresses MAC codées sur 6 octets (48 bits) Longueur de la trame LLC ou type de la trame Problème de compatibilité Zone de donnée + Bourrage Entre 1 et 1500 octets Contrôle d erreur Cyclic Redundancy Code : 4 octets, soit un polynôme générateur de degré 32 appliqué aux champs «adresses», «taille ou type», «donnée + padding» 9 Différentes sous-couches Couche Liaison En fonction des standards, la couche Liaison peut être divisée en une ou plusieurs sous-couches Sous-couche MAC = Medium Access Control» Chargée du contrôle d accès au canal Sous-couche LLC = Logical Link Control» Offre différents types de service à la couche Réseau» Avec ou sans contrôles d erreurs» Orienté connexion ou datagramme Sous-couche SNAP = Sub-Network Access Protocol» Pour avoir un en-tête comportant un nombre entier d octets» Pour augmenter le nombre de protocoles pouvant être distingués au niveau Réseau Dans tous les cas, un ou plusieurs champs de la couche Liaison doit permettre d identifier les protocoles Réseau source et destination 10

6 Plusieurs types d encapsulation Couche Réseau Si OUI = X Alors Code= EtherType IP AppleTalk OUI (3) Sous-couche SNAP Code (2) Données SNAP DSAP X AA EtherType = X EtherType = X 80-9B Sous-couche LLC DSAP (1) SSAP (1) Ctrl (1-2) Données LLC type / lg < 1500 «Ethernet IEEE» type / lg > 1500 «Ethernet DIX» Sous-couche MAC MAC src. type ou lg Données MAC Code CRC 11 Adressage MAC Différences entre Ethernet et Token-ring Même format d adressage, mais les bits des huit octets constituant l adresse ne sont pas transmis dans le même ordre Dans le cas des réseaux Ethernet» Les octets sont transmis de gauche à droite en commençant par les bits de poids faibles (format canonique) Dans le cas des réseaux Token-Ring» Les octets sont transmis de gauche à droite en commençant par les bits de poids forts (format non canonique) Peut nécessiter des translations d adresses en cas de connexion directe (au niveau liaison) de réseaux Ethernet et Token-Ring Par exemple, l adresse MAC suivante dans un réseau Token-Ring» X = Est équivalent à l adresse MAC suivante dans un réseau Ethernet» X EC-A =

7 Adresses MAC Ethernet Adresses «multicast» Ethernet La moitié des adresses MAC sont des adresses «multicast» Tout constructeur possédant un «OUI» peut définir des adresses «multicast» à sa convenance Le comité IEEE 802 possède l identifiant «X C2» Permet à l IEEE de définir des adresses «multicast» commençant par «X C2» X C permet d atteindre un pont supportant l algorithme du spanning-tree 13 Le protocole CSMA / CD Principe de fonctionnement Canal libre depuis sec. Station prête à émettre Ecoute du canal Emission de données et écoute du canal Aucune collision Transmission complète des données Nouvelle tentative Canal occupé Collision détectée Attente d un délai aléatoire Transmission d un signal de brouillage Algorithme du Backoff Après «n» tentatives : 1. Si (n > 16) Alors Echec 2. Si (n > 10) Alors n=10 3. Soit r tiré aléatoirement tel que (0 < r < 2 n ) 4. Délai = r * Slot-Time 14

8 Problème posé Algorithme du backoff Peut conduire à des effets de capture du canal Après une première collision, une station A accède au canal et retransmet sa première trame, puis sa deuxième trame Si beaucoup de stations ont des trames en attente de retransmission, de nouvelles collisions risquent d être générées Pour A ce sera la première collision pour la transmission de sa deuxième trame Pour les autres stations, ce seront des deuxièmes collisions La probabilité que la station A tire un délai d attente plus court sera importante A pourra transmettre à nouveau sa deuxième trame, puis une troisième, les délais d attente des autres stations continuant à augmenter 15 Règle fondamentale Contrainte de fonctionnement Le temps d émission d une trame doit être supérieur au temps de propagation aller-retour maximal dans le domaine de collisions Problème posé : Te = 512 temps bits et Tp = 257 temps bits A transmet son premier bit A T = 0 B B transmet son premier bit A T = 256 B B détecte une collision brouillage A T = 257 B A a terminé sa transmission pas de collision détectée A T = 514 B 16

9 Cas extrêmes Taille des trames Trop courte Cas possibles de collisions non détectées Taille minimale de 64 octets ou 512 bits (en-tête compris) Permet de construire des réseaux Ethernet 10 Mbps de diamètre au plus égale à 2500 m Des trames trop courtes - appelées avorton ou «runt» - peuvent être générées par collision ou erreur de transmission (en-tête compris) Trop longue Temps d attente de canal libre trop long Taille maximale de 1526 octets (ou 1500 octets de données) Débit offert Par expérience, un réseau Ethernet 10 Mbps chargé «raisonnablement» offre un débit global réel de l ordre de 3à 4 Mbps 17 Quelques points de repères Délai inter-trame de 96 temps bits µs pour un réseau à 10 Mbps µs pour un réseau à 100 Mbps µs pour un réseau à 1 Gbps Fenêtre de collision ou slot-time Temps d émission d une trame de taille minimale 512 temps bits pour les réseaux à 10 et 100 Mbps 4096 temps bits pour les réseaux à 1 Gbps Temps d attente maximal avant retransmission 1023 * slot-time = secondes pour les réseaux à 10 Mbps 1023 * slot-time = secondes pour les réseaux à 100 Mbps 1023 * slot-time = secondes pour les réseaux à 1 Gbps 18

10 Modes de communication Communication «half-duplex» Soit un segment Ethernet en câble coaxial Quand un nœud transmet une trame, les autres doivent nécessairement écouter pour éviter toute collision Seul mode de communication possible sur un segment en coaxial Mode de communication «half-duplex» ou à tour de rôle Communication «full-duplex» Soit un segment Ethernet en paires torsadées ou fibres optiques Un nœud connecté à un segment par deux paires torsadées ou fibres optiques peut recevoir et transmettre simultanément de l information» Réception sur une paire torsadée ou sur une fibre optique» Emission sur une autre paire torsadée ou fibre optique Nouveau mode de communication possible entre nœuds Mode de communication «full-duplex» sans collisions possibles Possible uniquement entre nœuds qui ne sont pas des répéteurs (stations, ponts, switchs, routeurs) 19 Communication «full-dupex» Conséquences importantes Aucune collision possible sur un segment Sur un lien «full-duplex» Aucune nécessité d utiliser le protocole CSMA / CD» Un nœud peut transmettre une nouvelle trame à tout moment, excepté le fait qu il doit respecter le délai inter-trame de 96 temps bits Problèmes posés Compatibilité ascendante Tous les équipements (cartes réseau, switchs) ne supportent pas un mode de communication «full-duplex» Introduction d un mécanisme d auto-négociation pour décider du mode de communication à utiliser entre deux nœuds Congestion des nœuds terminaux Par saturation de leurs files d attentes en entrée ou sortie Par suppression des trames reçues qu ils ne peuvent traiter 20

11 Solution proposée Contrôle de congestion Mécanisme de contrôle de flux normalisé par l IEEE Nouvelle norme IEEE 802.3x intégrée ensuite dans la norme IEEE Introduction d une nouvelle sous-couche dans la couche Liaison Sous-couche de contrôle MAC juste au dessus de la sous-couche MAC standard Couche Liaison LLC, Switch Relay Function, ou autres MAC Control (optionnelle) MAC : Medium Access Control Couche Physique 21 Trame PAUSE Nouvelle trame MAC Echangées entre sous-couches de contrôle MAC Une trame PAUSE transmise à un nœud lui indique de stopper sa transmission pendant un délai donné (un délai nul correspond à une demande de reprise de MAC MAC source Ethertype = X OpCode (2) X MAC source Ethertype = X OpCode = X Paramètres de contrôle Durée de la pause demandée (en slot-time) Bourrage ou Padding Contrôle d erreur Trame de contrôle Bourrage ou Padding Contrôle d erreur Trame PAUSE 22

12 Trame PAUSE Quelle stratégie de transmission? La norme IEEE définit le format des trames PAUSE, mais ne précise pas selon quelle stratégie transmettre les trames PAUSE (solutions propriétaires) Entrée d un port du commutateur Seuil haut : si devient supérieur, transmission d une trame PAUSE avec délai non nul Seuil bas : si devient inférieur, transmission d une trame PAUSE avec délai nul Trame n Trame n-1 Trame k Trame 3 Trame 2 Trame 1 File d attente Sortie vers cœur du commutateur 23 Modes de contrôle Trois types sur un lien «full-duplex» Mode choisi au moment de la phase d auto-négociation Station A 1. Je contrôle ton flux d émission Switch B Station A 2. Je contrôle ton flux d émission Switch B Station A 3. Nous contrôlons nos flux d émission Switch B 24

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4. Les réseaux locaux 4. Les réseaux locaux 4.1 Types des réseaux 4.2 Modèle en couches et réseaux locaux 4.3 Topologie et câblage 4.4 Méthodes d accès au médium CSMA/CD Anneau à jeton Caractéristiques «Réseau» Réseau : ensemble

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