Le Modèle TCP/IP Partie 3 : la couche liens (physique, MAC et LLC)

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1 Le Modèle TCP/IP Partie 3 : la couche liens (physique, MAC et LLC)

2 Modèle TCP/IP La couche LIENS APPLICATION TRANSPORT RESEAU LIENS LLC LIAISON MAC PHYSIQUE Supports et Techniques de codage (couche Physique)

3 Paire symétrique téléphonie Hz Couche Physique Quelques exemples de supports Câble coaxial jusqu à 400 MHz 10base5 : 10Mbit/s assez résistant aux perturbations assez grandes distances coûteux, câble difficile à installer câbles métalliques Paire torsadée - RJ MHz de 1 à 1000Mbit/s suivant la catégorie (versions + ou blindées) peu coûteux, facile a mettre en place sensible aux perturbations électromagnétiques faible longueur (<100m)

4 Couche Physique Quelques exemples de supports Fibre optique très coûteuse faible atténuation du signal longueur en km très grande Bande Passante Courant Porteur en Ligne - 4 à 45 Mbits Communication par utilisation du réseau électrique en utilisant des techniques de modulation avancées. Voies hertziennes : (ondes électromagnétiques) Ondes radio Ondes infra-rouge

5 La couche (1) PHYSIQUE - les caractéristiques des signaux (codage) - la représentation des bits : les caractéristiques du médium et du matériel (connecteurs). dépend des différentes méthodes d'accès au médium utilisées par la couche liaison LLC IEEE (ou ISO ) MAC PMD PHY IEEE CSMA/CD IEEE Token Bus IEEE Token Ring Couche Physique Précision : Mode de transmission synchrone : même horloge à l émetteur et au récepteur. Transmission de données à des instants prédéterminés. asynchrone : données transmises à n importe quel moment, mais encadrées par des fanions de début et de fin.

6 NRZ, NRZI (Non return to zero) Couche Physique Quelques exemples de codage Bande de base Le signal a 2 états (+a et -a) Exemples H Donnée 1 0 Codage NRZ Codage NRZI +a -a +a -a 0 : Ca change 1 : Ca reste

7 BI-PHASE L état du signal est constant pendant la moitié de la période Chaque bit d i est transformé en deux états successifs θ i1 et θ i 2 Couche Physique Quelques exemples de codage Bande de base Exemples d i =0 d i =1 BIPHASE Ou MANCHESTER1 θ 1 i = + a θ 2 i = - a θ 1 i = - a θ 2 i = + a BIPHASE DIFFERENTIEL Ou MANCHESTER2 θ 1 i = θ1 i-1 θ 2 i = - θ1 i θ 1 i = - θ1 i-1 θ 2 i = - θ1 i MILLER Comme le code Biphase En supprimant 1 transition sur 2

8 Architectures physiques Topologies (physiques) Anneau : Maillage (irrégulier) : Etoile : Maillage complet : Arborescence : Bus :

9 Modèle TCP/IP La couche LIENS APLICATION TRANSPORT RESEAU Méthodes MAC (couche Liaison) LIENS LLC LIAISON MAC Méthodes statiques Partage du médium PHYSIQUE Méthodes par compétition Méthodes par élection

10 Modèle TCP/IP - La couche LIENS Transmission et gestion de l accès au réseau physique Rappels LIAISON (cf. modèle OSI) permet le transfert fiable d informations entre des systèmes directement connectés. décomposée en deux couches : MAC (Medium Access Control) & LLC (Logical Link Control) LIENS RESEAU LLC LIAISON MAC PHYSIQUE Ses attributions sont de deux ordres : - sécuriser les échanges - décider des moments d émission

11 Méthodes de Partage du médium La couche LIAISON sous-couche MAC : Medium Access Control Illustration du problème : - Qui parle? - Un ou plusieurs à la fois? - Qui écoute? - Comment choisir? 3 types de méthodes : Station A Station B Station X médium Méthodes statiques Partage du médium Cette problématique et donc la sous-couche MAC n'est présente que dans une topologie en bus qui nécessite un partage du médium. ( point à point ) Méthodes par compétition Méthodes par élection

12 Méthodes de Partage du médium Les méthodes de partage STATIQUE Le partage est STATIQUE en ce que chaque émetteur sait une fois pour toutes quand il peut émettre. Partage des fréquences (FDM : Frequency Division Multiplexing) Allocation de différents canaux de fréquences aux différents utilisateurs. Partage du temps (STDM : Synchronous Time Division Multiplexing) Allocation d intervalles de temps spécifiques aux différents utilisateurs.

13 Méthodes de Partage du médium Les méthodes de partage par ELECTION Un mécanisme choisit dynamiquement l émetteur GESTION CENTRALISEE Il existe une station Maître et des stations Esclaves. GESTION DISTRIBUEE : RESEAU A JETON Droit d accès au médium par un jeton circulant d une station à l autre

14 Méthodes de Partage du médium Les méthodes de partage par COMPETITION Chaque Station émet quand elle en a besoin, indépendamment des autres. Si deux stations émettent en même temps, elles rentrent en conflit (compétition). Une procédure spéciale doit régler les conflits. Méthodes CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Anneau de Cambridge Nous étudierons ce semestre la méthode MAC de type CSMA-CD (base du protocole Ethernet). Les autres méthodes MAC seront vues au second semestre.

15 Méthodes de Partage du médium Les méthodes de partage par COMPETITION Carrier Sense Multiple Access (CSMA) persistant pour émettre, une station écoute la voie (détection de porteuse : carrier sense), si celle-ci est libre, elle émet sa trame aussitôt. CSMA non- persistant idem mais si celle-ci est libre elle attend un temps aléatoire avant d'essayer d'émettre sa trame. Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA-CD, norme ISO ) idem mais arrêt immédiat de la transmission dés qu'une collision est détectée. Carrier Sense Multiple Access / Deterministic Collision Resolution CSMA-DCR idem mais quand une collision arrive, les stations se positionnent en groupe de priorité. Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance CSMA-CA utilisée en sans-fil pour éviter les collisions (non détectables), annonce accès + acquittement

16 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection Ethernet : standard IEEE depuis 1985 Principe chaque station observe le medium en permanence ( carrier sense ). -Si elle voit passer quelque chose qui lui est destiné, elle le capte. -Si elle veut émettre elle attend que la voie soit libre. - Si la voie est libre : - elle attend une durée (espace inter-trame) - puis elle émet tout en observant la collision éventuelle sur le médium (message lu non identique au message envoyé) - Si il y a collision ( collision detection ) - elle stoppe l'émission du msg et émet du brouillage (4 octets) - puis elle attend (backoff aléatoire pour que 2 stations ne réemettent pas ensemble), - puis elle essaie de nouveau quand la voie est libre. - le backoff augmente avec le nombre de tentatives. - au bout d'un certain nombre de tentatives (16) elle abandonne.

17 Méthodes de Partage COMPETITION Brouillage : 32 bits CSMA-CD (Norme ISO ) L algorithme d accès au medium Backoff = r * slot time avec 0 r<2 k et k = min (n, 10) pour la n ième retransmission

18 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD (Norme ISO ) Exemple de diagramme temporel

19 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD (Norme ISO ) Réception par S1 de l émission de S2 : détection de la collision Réception de la fin de l émission de S2 Arrêt émission S1 Station1 Début d émission S1 émission brouillage t Station2 Début d émission S2 délai de propagation émission brouillage Arrêt émission S2 Réception par S2 de l émission de S1 : détection de la collision Réception de la fin de l émission de S1 t

20 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD (Norme ISO ) Si la trame est trop courte la collision peut être cachée. délai de propagation Pas de détection de la collision par la station 2 La trame de S1 doit être de longueur au moins égale au temps de propagation

21 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD (Norme ISO ) Une collision peut dans le pire cas être observée au bout du double du délai de propagation. Station1 Début d émission S1 Réception par S1 de l émission de S2 : détection de la collision par S1 t Station2 t Début d émission S2 délai de propagation + délai de propagation Réception par S2 de l émission de S1 : détection de la collision par S2 Une trame doit être de longueur au moins égale à 2*Delai de propagation!

22 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD (Norme ISO ) Longueur minimale d'une trame Notion de Tranche Canal ou slot time (en temps/bit) : temps maximal de détection d'une collision : slot time = 2 * T propa max L'émission d'une trame doit être de longueur au moins égale au slot time Dans Ethernet, la norme fixe le slot time à 51,2µs Contraintes sur le câblage d'un réseau Ethernet Taille min d'une trame : 64 octets pour un débit de 10Mbit/s (hors Préambule et Start) (i.e. au moins 46 octets de charge sinon ajout de bourrage)

23 Ethernet Ethernet - (cf. MAC CSMA/CD) Structure d'un Paquet Ethernet encapsulée Le paquet de niveau réseau (ici un datagramme IP) est encapsulé dans la trame Ethernet. La trame Ethernet est précédée par un Préambule (7octets) et un Start Frame Delimiter (1octet) ajoutés par la couche physique. En fait on a 7 fois puis 1 fois Entre les trames, il faut un espace inter-trame (96bits). Rmq : Les cartes Ethernet ne capturent (filtrent) que les trames qui leur sont destinées.

24 Méthodes de Partage COMPETITION Support physique initial : le câble coaxial 10base5 : câble coaxial épais, peu souple mais permettant des distances importantes. Support natif d'ethernet. Vitesse de transmission=10mbit/s; transmission de type bande de base; long max d'un segment=500m (possibilité de répéteurs). Version fiable, mais rigidité du câble et transmission half-duplex. 10base2 : câble coaxial fin, + flexible, - lourd, - cher et + facile à installer. MAIS transmission peu fiable : longueur max 185m et nb de stations max = 30. => jamais utilisé en environnement industriel. Changement de support physique : la paire torsadée 10baseT : 10Mbit/s sur deux paires torsadées : liaison full-duplex. Les connexions en 10baseT sont point-à-point : utilisation d'une topologie en étoile, avec un hub. La topologie en étoile à permis des évolutions techniques comme le fullduplex, la commutation et l'augmentation des débits (cf. 2ieme semestre). 100baseT ou FastEthernet : 100Mbit/s, (cf. 2ieme semestre). Les différents supports du protocole Ethernet Ethernet se décline en différentes versions suivants les caractéristiques matérielles du support physique utilisé (câblage). half-duplex : réception et émission sur le même brin. full-duplex : réception et émission pouvant être simultanées

25 Méthodes de Partage COMPETITION Les différents supports du protocole Ethernet Vitesse de transmission Type de transmission Longueur max des segments Nb max de stations Avantages Inconvénients Remarques 10Base5 Câble coaxial épais 10Mbit/s Bande de base 500m <50 Fiabilité Half-duplex, rigidité et limitation à 10Mbit/s Support natif d Ethernet 10Base2 Câble coaxial fin 10Mbit/s Bande de base 185m 30 Moins cher, moins rigide Jamais utilisé en milieu industriel 10BaseT Paire torsadée (cat 3 ou +) 10Mbit/s 100m 4 hubs Full-duplex Support standard 100BaseT Paire torsadée (cat 5) 100Mbit/s 200m BaseFx Fibre optique 100Mbit/s 2km Version industriel vs bureautique : blindage des câbles, et connecteurs + robustes

26 Méthodes de Partage COMPETITION CSMA-CD (Norme ISO ) Reconfiguration et correction des anomalies Par essence CSMA/CD est distribuée. Chaque communicateur gère sa procédure indépendamment des autres. L entrée et la sortie d une station sont donc simples et prises en compte instantanément. Ethernet est fiable s il est très peu chargé (<10%) de façon à limiter les risques de collision. Mais la surcharge de ce réseau provoque par effet d avalanche un écroulement du débit. Il est impossible de borner le délai d acheminement. Ethernet (partagé) réseau probabiliste

27 Modèle TCP/IP La couche LIENS APLICATION TRANSPORT LIENS RESEAU LLC LIAISON MAC La sous-couche LLC Logical Link Control (couche Liaison) PHYSIQUE

28 LLC La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Historique des protocoles Les protocoles de la sous couches LLC ont été créés initialement pour s affranchir de deux problèmes principaux de la communication : -les erreurs de transmission dues aux perturbations -le contrôle de flux entre machines ayant des débits différents Normalisation d un protocole en 1976 : HDLC (High level Data Link Control). Depuis : développement de différentes variantes, fournissant des services + ou fiables. Pour les réseaux locaux : LLC1, LLC2, LLC3 (le protocole LLC2 est très proche du HDLC initial)

29 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control La norme ISO définit trois types de services : Mode "best effort" - Type 1 : service sans connexion, sans acquittement, sans contrôle de flux. Protocole le plus simple permettant d'envoyer une trame vers un ou plusieurs destinataires «une bouteille à la mer» - Type 2 : service avec connexion, avec acquittement, avec contrôle de flux. Protocole le plus complet au niveau LLC, très proche du protocole HDLC (High Level Data Link Control) : la meilleure qualité de service en terme de sécurité, utilisé en particulier dans les réseaux publics et réseaux à commutation de paquets. Mode "balanced" - Type 3 : service sans connexion, avec acquittement, sans contrôle de flux. Protocole avec acquittement positif ou négatif, permettant indirectement un contrôle de flux (pas d'autre émission possible tant qu'acquittement pour émission précédente non reçu).

30 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Modes LLC1, LLC3: service sans connexion Utile pour envoyer un message à plusieurs stations diffusion: totale (broadcast), partielle (multicast) ou point à point (unicast). Primitives de type LLC1 Primitives de type LLC3

31 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control 3 types de trames : Le protocole HDLC (LLC2) : les trames I - Information : données S Supervision : contrôle de flux, contrôle d erreur U non-séquencées : connexion, libération, anomalies.. Structure des trames : Champ adresse Champ contrôle : type de trames, numérotation, type d erreur, 8 ou 16 bits 8 ou 16 bits 8 ou 16 bits Contrôle Informations FCS Fanion Optionnelle (PDU du niveau réseau) Flags d ouverture et de fermeture : Contrôle d erreur

32 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : le champ contrôle Format du champ contrôle : 3 bits (ou 7 bits) 1 bit 3 bits (ou 7 bits) 1 bit N(R) P/F N(S) 0 I-frame N(R) P/F type 0 1 S-frame type P/F type 1 1 U-frame

33 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) Types de trames I-frame : transmission d'informations, mais aussi contrôle de flot et d'erreur. S-frame : contrôle de flot, d'erreur, sans transmission d'informations RR Receive Ready Ack positif 0001 RNR Receive Not Ready Ack positif mais contrôle de flux 0101 REJ Reject Ack négatif retransmettre à partir de N(R) 1001 SREJ Selective Reject Ack négatif ne retransmettre que N(R) 1101 U-frame : 32 types différents Changement de modes Transfert d'informations Reprise d'erreur (FRMR, RSET) Autres..

34 La couche (2) LIAISON Modèle TCP/IP La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : les différents modes Normal Response Mode - NRM : une station primary, une (ou +) secondary. Seul le primary peut initier la transmission, le secondary ne transmet que s'il est sollicité (bit P/F). Si +sieurs secondary : polling possible. Asynchronous Response Mode ARM : les stations secondary peuvent transmettre sans "permission". Le primary reste maitre de l'initialisation de la liaison, du recouvrement d'erreur et de la déconnexion. Asynchronous Balanced Mode ABM : unbalanced les stations ont les mêmes rôles.

35 La couche (2) LIAISON Modèle TCP/IP La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : le bit P/F : Poll / Final Ce bit est un "Poll" lorsqu'il est mis à un par la primary station pour obtenir une réponse de la secondary station. Ce bit est un "Final" lorsqu'il est mis à un par la secondary station pour indiquer une réponse ou la fin de la transmission. La secondary n'envoi un Final que lorsqu'elle a reçu un Poll. La primary n'envoi un Poll que lorsqu'elle a reçu un Final en réponse de son dernier Poll, ou lorsqu'un certain temps s'est écoulé depuis son dernier Poll.

36 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : principes Connexion avant l envoi de données Primaire (primitives de la couche réseau) Communication Secondaire (primitives de la couche réseau) Requête de connexion Trame U Confirmation de connexion (ou refus) Trame U Indication de connexion Réponse de connexion Les modes sans connexion (LLC1, LLC3) sont utiles pour la diffusion

37 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : principes Numérotation des trames et acquittement N(S) : numéro de la trame émise; N(R) : numéro de la prochaine trame attendue Primaire Communication Secondaire Trame I : N(S)=0 N(R)=0 Trame I : N(S)=0 N(R)=1 Trame I : N(S)=1 N(R)=1 Trame I : N(S)=1 N(R)=2

38 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : principes Numérotation des trames et acquittement N(S) : numéro de la trame émise; N(R) : numéro de la prochaine trame attendue Primaire Communication Secondaire Trame I : N(S)=0 N(R)=0 Trame S : N(R)=1 (pas une trame de donnée : pas numérotée) Trame I : N(S)=1 N(R)=0

39 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : principes Numérotation des trames et acquittement : contrôle d erreur N(S) : numéro de la trame émise; N(R) : numéro de la prochaine trame attendue Primaire Communication Secondaire Trame I : N(S)=0 N(R)=0 Trame I : N(S)=0 N(R)=1 Trame I : N(S)=1 N(R)=1 Trame S : N(R)=1

40 La couche (2) LIAISON Modèle TCP/IP La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : principes Contrôle de flux : fenêtre d anticipation W=3 Prise en compte de la capacité de réception. Primaire Communication Secondaire W=3 trames émises sans ack Trame I : N(S)=0 N(R)=0 Trame I : N(S)=1 N(R)=0 Trame I : N(S)=2 N(R)=0 Trame S : N(R)=3 Trame I : N(S)=3 N(R)=0 Trame I : N(S)=4 N(R)=0

41 La couche (2) LIAISON Modèle TCP/IP La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) : principes Contrôle de flux : fenêtre d anticipation W=3 Prise en compte de la capacité de réception. Primaire W=3 trames émises sans ack Communication Trame I : N(S)=0 N(R)=0 Trame I : N(S)=1 N(R)=0 Trame I : N(S)=2 N(R)=0 Secondaire Trame I : N(S)=0 N(R)=3 Trame I : N(S)=1 N(R)=3 Trame I : N(S)=2 N(R)=3 W=3 trames émises sans ack Trame I : N(S)=3 N(R)=3

42 Modèle TCP/IP La couche (2) LIAISON La sous-couche LLC : Logical Link Control Le protocole HDLC (LLC2) Services offerts à la couche réseau Transmission transparente d une trame. Correction d erreur : Code détecteur d erreur : FCS (Frame Check Sequence) Contrôle des erreurs d émissions (Numérotation + ack + réémission) Contrôle de flux par fenêtre d anticipation et blocage d émission Gestion de la liaison de données entre deux stations.