Concepts de base des Réseaux Informatiques

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1 Concepts de base des Réseaux Informatiques Amine Kechiche ISAMM

2 Chap3. Les réseaux Locaux 1. Protocoles d'accès 2. La norme IEEE Composantes et Câblage

3 Les Protocoles d accès Les réseaux locaux sont caractérisés par un support commun à toutes les stations Des conflits d accès apparaissent si plusieurs stations émettent simultanément Les méthodes d accès permettent de résoudre ces conflits. 3

4 Les Protocoles d accès Un protocole de communication est un ensemble de règles qui déterminent comment et quand les stations sont autorisées à transmettre ou recevoir des données, comment les données sont formatées, et comment le contrôle d'erreur est effectué, etc Un protocole d accès (MAC -Media Access Control-) est un ensemble de règles qui contrôlent l'accès à un moyen de communication (physique) entre les différents utilisateurs. Une seule station devrait transmettre à un instant donné.. 4

5 Protocoles d accès: objectifs Organiser la transmission pour éviter les collisions au niveau du canal partagé Une utilisation efficace/optimale du canal Des performances stabiles (QoS) Equité entre les stations Mécanismes complexes 5

6 Classifications Classification 1 : accès aléatoire qui ne nécessite pas une autorisation préalable (contention), accès déterministe où un mécanisme permet de désigner la station qui peut émettre (ex. : Round Robin) Classification 2 : accès statique où l'allocation de la bande passante est définitive, accès dynamique (adaptatif) où l'allocation de la bande passante évolue selon les besoins. Classification 3 : l'approche centralisée où seul un noeud primaire attribue des droits d'accès, l'approche distribuée où les différents noeuds participent de la même façon aux contrôles d'accès. Classification 4 : partage temporel (TDMA : "Time Division Multiple Access"): partage fréquentiel (FDMA : "Frequency Division Multiple Access"). 6

7 Exemple 1: Accès par invitation à émettre (polling) Une station primaire (superviseur) interroge successivement les autres noeuds s ils veulent émettre (ce processus s appelle polling). Dans ce cas la station secondaire peut émettre pendant un intervalle de temps (prédéfinit). Cette méthode est utilisée: dans les réseaux en étoile dans le mode PCF («Point Coordination Function») du wifi Des stations peuvent être favorisées (priorisées) en modifiant l ordre et l occurrence des interrogations: Exemple: 1,2,3,4,5,1,6,7,8,1,2,3,4,5,1,6,7,8,1,. 7

8 Exemple 2:Les techniques à jeton 1. Le principe du contrôle d'accès à l'aide d'un jeton consiste à faire circuler sur le réseau une permission d'émettre, appelée jeton (token), de sorte que seul le noeud détenant le jeton est autorisé à émettre 2. Le jeton peut être dans l'un des deux états: libre ou occupé 3. Pour qu un noeud puisse émettre un message, il doit attendre que le jeton lui parvienne à l'état libre, auquel cas, le jeton est positionné à l'état occupé, le noeud est en mesure d entamer son émission 4. Les autres noeuds voient passer le message, le destinataire doit se reconnaître et recopier le message 5. Dans le cas d une topologie en anneau, c est l émetteur du message qui prélève ce dernier et ensuite passe le jeton libre 8

9 Accès aléatoire avec écoute de la porteuse CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Motivation: 1. Le délai de propagation d'un signal est très faible Un noeud écoutant le canal peut déterminer rapidement l'état du canal (CSMA) 2. La station est capable d écouter le canal pendant la transmission Une collision est présumée, si le message lu est différent de celui émit (CSMA/CD). Principe: Une station désirant transmettre, doit vérifier (en écoutant la porteuse) qu aucun autre signal n est entrain d être émis (Carrier Sens). Ceci n'élimine pas la possibilité de collision étant donné le délai de propagation 12

10 CSMA Algorithme de base: 1. Écouter le canal avant d'émettre 2. Si le coupleur a de l'information à transmettre alors 1. Tant que le canal n'est pas libre faire 1. Rester à l'écoute du canal 2. Fin tant que 3. Émettre l'information 3. fin si 4. Si collision alors Retransmettre ultérieurement Durant la période de vulnérabilité (le temps de propagation d'un signal entre les noeuds les plus éloignés) un coupleur peut ne pas détecter l'émission d'un signal par un autre noeud 13

11 Variantes de CSMA Si le médium est libre -> transmettre Sinon, que faire?! 1. 1-persistent CSMA maintenir l écoute du canal et émettre dès qu on constate que canal est devenu libre 2. non-persistent CSMA Si les deux stations prêtes à émettre étaient plus patientes il y aurait moins de collisions: La station ne reste pas en écoute permanente. Reprend l écoute après un temps aléatoire et retransmet si le canal est libre 3. p-persistent CSMA Le canal est alloué en slots (intervalle de temps) Si libre, emettre avec probabilité p sinon attendre le slot suivant avec une probabilité donc de 1-p 14

12 CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) Inconvénient du CSMA: Suite à une collision, le canal reste inexploitable pendant toute la durée de transmission des 2 trames endommagées Amélioration: Collision detection (CD): poursuivre l écoute lors de la transmission Une collision est présumée, si le message lu est différent de celui émit. Principe: 1. si le canal est libre transmettre sinon passer à 2 2. si le canal est occupé, continuer l écoute jusqu à libération du canal. Transmettre par la suite. 3. Si une collision est détectée durant la transmission, arrêter la transmission et transmettre un jamming signal 4. Attendre un temps aléatoire avant de reprendre 16

13 CSMA/CD C est la méthode la plus utilisée Ne garantis pas un délai maximum de transmission (non déterministe) A l'écoute du canal avant l'émission se rajoute l'écoute pendant l'émission pour déterminer s'il y a eu collision Le signal émis est comparé au signal sur la ligne Si une collision s'est produite, le coupleur abandonne l'émission et envoie une séquence de bits (séquence de brouillage, Jam signal) pour alerter les autres noeuds qu une collision s est produite L'émission sera reprise après un temps aléatoire L'émetteur devra rester à l'écoute du canal pendant une période (tranche canal) égale à deux fois le temps maximum de propagation d'un signal entre deux coupleurs La durée de transmission = au moins 2 fois la durée maximum de propagation du signal Avantages Abandonner l émission dès qu une collision est détectée Ne pas attendre d acquittement 17

14 Définitions: période de vulnérabilité : C est la période qui représente la durée pendant laquelle une station éloignée peut détecter le canal libre et transmettre à son tour ; elle est au maximum égale au temps de propagation nécessaire entre les deux stations les plus éloignées sur le support. Slot-Time ou fenêtre de collision ou Tanche canal : C est le délai maximum qui s écoule avant qu une station détecte une collision délai après lequel une station peut être certaine d avoir réussi sa transmission : elle est égale à deux fois le temps de propagation du signal sur le support. C est l unité de temps du protocole 18

15 CSMA/CD (Collision Detection): Backoff-Algorithm Algorithme de reprise BEB (Binary Exponential Backoff) 1. Si nième collision alors 2. Tant que n<16 faire 1. Tirer une valeur entière r entre 0 et 2 min(n,10) Effectuer une tentative de retransmission après r 51.2 microseconde 3. Incrémenter le nombre n de tentatives 4..Si n = 16 alors abandonner la retransmission de la trame finsi Ftq Finsi 19

16 Backoff-Algorithm Transmission 1. collision attente: 0/1 Slot de temps 2. collision attente: 0/1/2/3 Slot de temps i.collision attente: 0/1/ /2 i-1 Slot de temps Pourquoi changer l intervalle? Priorité? 2016/2017 Amine Kchiche 20

17 CSMA/CD + BEB pour l'emission 21

18 Exercice Imaginer un réseau CSMA/CD à 1 Gbits/s sur un cable de 1km de long, sans répéteur. La vitesse du signal sur le canal est de km/s. Quelle est la taille minimale d une trame. Trouver la taille maximale d un réseau à 100GBit/s utilisant la même spécification. 22

19 IEEE

20 La norme IEEE (Ethernet) La norme IEEE caractérise un réseau multipoints, avec collisions, sans priorité et à faible coût. La norme IEEE utilise les topologies physiques en bus sur un câble coaxial et en étoile (utilisant les hubs) sur une paire téléphonique. Le protocole IEEE peut utiliser plusieurs supports physiques. Chaque support est désigné par : Sa vitesse de transmission en Mbits/s ; Son procédé de codage : Bande de base: base ; Large bande: broad ; Sa longueur approximative en centaines de mètres ; Son type (exemple: T pour Twisted pair et F pour fibre optique). Exemple: 10base5, soit un débit de 10Mbits/s, un codage en bande de base (Manchester) et une longueur maximal de 500 mètres. 27

21 Norme Norme 10base5 (thick Ethernet) 10base2 (thin Ethernet) 10baseT 10baseFB Support Coaxial épais / prise vampire Coaxial fin / BNC Torsadée UTP3,4,5 Fibre optique Technique Bande de base/ Manchester Bande de base/ Manchester Bande de base Bande de base Topologie Bus Bus Etoile/ ou hiérarchie d étoiles Etoile Espacement min entre 2 nœuds Nb max de nœuds par segment 2,5m 0,5m Dépond du nœud actif Nb max de répéteurs 4 4 Long max du segment 500m 185m 100m 2km Domaine de Collision 2500m 2500m 2500m 2500m 28

22 Norme Trame Données ( octets) Padding (0-46 octets) Contrôle (4octets) Longueur données (2 octets) Adresse source : 6 octets Adresse destination : 6 octets Délimiteur de début de trame : 1 octet Préambule : 7 octets 29

23 Norme Trame Préambule : 56 bits = 7 X ( ), dure 5.6µs et permet aux autres stations d'acquérir la synchronisation bit. Délimiteur de début de trame (Start Frame Delimiter) : 8 bits = permet aux autres stations d'acquérir la synchronisation caractère et la synchronisation trame. Adresse destination : adresse individuelle, pouvant être de classe «administrée localement» ou «globalement», adresse multicast, adresse broadcast. Adresse source : adresse physique de la station émettrice, c'est une adresse individuelle pouvant être de classe «administrée localement» ou «administrée globalement». Longueur du champ de données : valeur comprise entre 0 et 1500, indique le nombre d'octets contenus dans le champ suivant; si la valeur est supérieure à 1500, la trame peut être utilisée à d'autres fins (autre protocole que IEEE 802.3, permet la compatibilité avec Ethernet). 30

24 Norme Trame Padding : contenu sans signification complétant à 64 octets la taille totale d'une trame dont la longueur des données est inférieure à 46 octets; en effet, une trame est considérée valide (non percutée par une collision) si sa longueur est d'au moins 64 octets; 46 <= (données + padding) <= Contrôle : séquence de contrôle basée sur un CRC polynomial de degré 32. Le sens de circulation des octets est selon la structure logique de la trame : préambule = premier octet émis, FCS = dernier octet émis. 31

25 CSMA/CD 1. L entité MAC écoute le support pour savoir si une transmission est en cours (partie CSMA de l algorithme) 2. Quand toute activité cesse, elle commence la transmission après 9,6μs (IFS), silence obligatoire entre 2 trames 3. Elle continue d écouter le canal pour savoir si une collision a été détectée (partie CD de l algorithme) 4. Si aucune collision n est détectée, la couche MAC fournit à la couche supérieure un compte rendu positif 5. Si détection de collision (tension moyenne double de la normale) Émission d'une séquence de brouillage (Jam signal), puis reprise 35

26 Optimisations 1. Ethernet commuté 2. Fast Ethernet 37

27 1. Ethernet Commuté: Motivation Ethernet partagé: support physique partagé entre l ensemble des stations Limitation des performances. Idée: commuter les trames Ethernet (commutation Ethernet FDSE: Full Duplex Switched Ethernet) Principe: Ethernet commuté 1. Premier pas: découper les réseaux Ethernet en petits tronçons et les relier entre eux par des ponts 2. Lecture de la trame sur un port en entrée et la recopie sur un port de sortie en fonction de l adresse destination. 3. Filtrage les trames en ne laissant passer que celles destinées à un réseau Ethernet autre que celui d'où provient la trame 38

28 Ethernet Commuté A l intérieur du commutateur, des composants spécialisés et des processeurs rapides réalisent une matrice de commutation permettant de traiter simultanément plusieurs trames Il y a un commutateur par réseau Ethernet Chaque carte coupleur est reliée directement à un commutateur Ethernet qui se charge de rediriger les trames aux destinataires concernés Pour réaliser cette commutation de bout-en-bout, il faut que chaque commutateur ait la possibilité de déterminer la liaison de sortie en fonction de l'adresse du récepteur (il n' y a plus de diffusion). 39

29 Ethernet Commuté Difficultés La gestion d'adresses MAC de tous les coupleurs raccordés au réseau La gestion des congestions éventuelles au sein d'un commutateur On retrouve la complexité des réseaux à commutation de paquets avec les problèmes de routage et de contrôle de flux Avantages La technique de reprise sur une collision n'est plus utile puisqu'il n' y a plus de collision. Plus de limitation de distance puisque nous sommes en mode commuté et non plus en diffusion (milliers de kilomètres) Augmentation des débits par terminal 41

30 2. Fast Ethernet (100 Mbps) Vision: Augmenter simplement le débit Augmenter le débit en optant pour une meilleure qualité de câble (fréquence de codage) Plus de paires de câble pour la transmission Garder les même principes [format- interface- CSMA/Cd] ->compatibilité modifier les règles de câblage pour que le réseau puisse fonctionner à 100Mbps (RTD=5,12µs -> domaine de collision réduit à ~ 205m) Approuvé le 14 juin > 802.3u (Fast Ethernet) 42

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