Couche 2 La couche liaison dans les réseaux locaux

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1 Couche 2 La couche liaison dans les réseaux locaux Plan du cours Couche 2 : Liaison de données Couche Liaison de données - cas général Cas des réseaux locaux Couche 3 : Réseau Couche 4 : Transport Les Réseaux Locaux Industriels Les Réseaux sans fil Pascal Berthou berthou@laas.fr 2 Mode de fonctionnement Introduction Les réseaux peuvent être subdivisés en: Utilisation d'un média partagé réseaux point à point comment gérer l'accès concurrent? réseaux à diffusion ex: une conférence nécessité de protocole d'accès au médium Les réseaux locaux fonctionnent habituellement en mode de diffusion. Ceci nécessite un protocole d accès particulier, qui garantit une répartition équitable de la capacité du support physique entre les équipements raccordés. Pour ce faire les réseaux locaux divisent la couche liaison en 2 : sous-couche supérieure : pour le contrôle de liaison logique Distance limité a quelques centaines de mètres : Appelés LAN (Local Area Network) ou RLE (Réseau Local d Entreprise) sous-couche inférieure : fonctions nouvelles dont gestion de l accès au support Fortement dépendant de la couche Physique : débit, topologie 3 4

2 Introduction Architecture des réseaux locaux IEEE802.x L'IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) Organisme regroupant des experts en électricité et électronique. l'ieee a crée les normes IEEE 802, qui s'appliquent aux couches physique et liaison du modèle OSI. IEEE : Interworking IEEE : LLC Projet 802 Appelé 802 en raison de sa date de lancement (février 1980). Il définit des normes LAN pour les couches Physiques et Liaison. Le projet 802 divise la couche Liaison en deux sous couches : Contrôle des liaisons logiques (LLC) Contrôle d'accès au support (MAC) MAC CSMA/CD (Ethernet) Token Bus Token Ring Metropolitan Area Network Broadband Technical Advisory Group Fiber Optic Technical Advisory Group Integrated Voice and Data Networks ? Wireless LAN «Wi-Fi» (plusieurs normes,?={a,b,g}) Wireless PAN «BlueTooth» 5 6 La sous-couche LLC Logical Link Control Sous-couche LLC Défini dans Convient à tous types de MAC 802.x (802.3, 802.5, FDDI, , 100VG-AnyLAN ) Assure la transmission des PDU entre 2 stations Supporte les accès multiples à un médium partagé La plus grande partie de la gestion des accès au support est assurée par la sous-couche MAC L adressage dans une trame concerne les adresses des utilisateurs LLC : Un utilisateur est un PROTOCOLE des couches supérieures ou une fonction de «management» réseau Considéré comme le point d accès au service LLC ( LLC Service Access Points (LSAP)) 8

3 Exemple de d architecture : Ethernet Définition de service LLC NETWORK NETWORK Service primitives LLC+LSDU header LLC LSAP LLC entity LLC Protocol LSAP LLC entity LPDU LLC LLPDU MSAP MA-SDU MAC LLC+MA-SDU header MA-SAP MA-PDU MAC 9 10 Type de sous-couche LLC Format de la trame LLC (LLC PDU) LLC spécifie le contrôle de l échange de données entre 2 utilisateurs. 3 services sont fournis au choix pour des équipements connectés utilisant LLC: Type 1: unacknowledged connectionless service Type 2: connection mode service (with ACK) Type 3: acknowledged connectionless service DSAP & SSAP: Destination and Source Service Access Points: Ce champ permet de distinguer de quel type de service de niveau supérieur il s agit (i.e. de protocole) Exemple : pour IP, DSAP = SSAP = 0xF0 pour une connexion entre 2 modules IP DSAP et SSAP peuvent être différents s il y a plusieurs adresses pour le même service. LLC Control (sur 1 ou 2 octets) Pour reconnaître les 3 types de PDU LLC (voir ci-après) 11 12

4 Types de trame LLC (LLC PDU) LLC type 1 N(S)/N(R): n os de séquence (7bits : taille de fenêtre # 0-128) Trame d information: Transporte les données entre 2 entités LLC Trame de Supervision : Utilisées pour superviser les échanges de trames I. Concerne les commandes/réponses e.g., reject (REJ), receiver not ready (RNR), receiver ready (RR) Pas de selective reject (SREJ) car pas forcement utile dans un contexte de LAN Trame non numérotée (1 octet): Concerne les commandes non numérotées pour les services sans connexion Établissement et libération des connections logiques LLC Unacknowledged connectionless service: Utilises des datagrammes Fournit un seul type de LLC PDU: unnumbered Utilisé quand les fonctions assurant la qualité de services (par exemple, détection d erreurs, retransmission, ) sont implémentés dans les couches supérieures Service utilisé par TCP/IP LLC type 2 LLC type 3 connection mode service (with ACK): acknowledged connectionless service: Utilise tous les types de LLC PDU Offre un service d acquittement des données sans connexion. Responsable de la détection d erreur et des récupération de trames Grâce au bit P/F (Poll/Final) des trames d information et des trames non numérotées, 2 entités LLC sont capables de s échanger des trames de commandes/réponse Utilise un protocole stop & wait, mais pas de connexion logique (pas de numérotation, etc ) Utilisé par les applications qui nécessitent une assurance de délivrance des données sans payer le prix de l établissement d une liaison. Les trames non numérotées sont utilisées lors de l établissement de la connexion entre 2 entités LLC 2 Orienté automatisme 15 16

5 La sous-couche MAC Medium Access Control Plan - Couche MAC Problématique de l accès au canal Allocation du Canal Protocoles d'accès Standards IEEE Interconnexion de LAN 18 Allocation Statique Allocation Dynamique N utilisateurs = N canaux N utilisateurs pour 1 canal multiplexage classique Caractéristiques clés : Fréquenciel (FDM) Utilisation d'un canal unique Temporel (TDM) toutes les stations sont équivalentes Gestion des collisions Inefficace pour le trafic de données Si trafic par rafale (burst) canaux vides la plupart du temps pas de récupération de bande passante transmission de plus d'une trame simultanément Gestion du temps émission n'importe quand (temps continu) émission dans un intervalle (slot) (temps discrétisé) détection de porteuse (carrier sense) vérification de la disponibilité du canal avant émission 19 20

6 Plan - Couche MAC ALOHA Problématique de l accès au canal Allocation du Canal Protocoles d'accès Standards IEEE Ponts Université de Hawai (1970) («Aloha» = «bonjour») initialement pour réseau radio liberté totale d'émission détection de collision par écoute et retransmission différée avec un délai aléatoire si besoin Capacité optimale avec taille de trame égale Pure ALOHA Slotted ALOHA Doublage de la capacité de transmission en discrétisant le temps : Taux max = 1/e CSMA Comparaison Carrier Sense Multiple Access Protocoles à détection de porteuse CSMA 1-persistent écoute du canal avec attente de libération et émission immédiate (si collision, retransmission différée) CSMA nonpersistent écoute du canal, si celui-ci est occupé, écoute différée (émission sur une écoute de canal libre) CSMA p-persistent probabilité d'émission après une écoute avec attente 23 24

7 CSMA/CD CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Principe : Ecoute permanente du médium en vue d une détection de collision Phénomène analogique : Comparaison du bit émis avec celui propagé sur le médium Améliorations : arrêt d'émission immédiat si collision attente aléatoire avant d émettre à nouveau périodes de contention pendant lesquelles les stations tentent d'émettre (delais = 2 temps de prop. pour être sur d avoir gagné le médium) Plus de collisions pendant l'émission des données Augmentation du débit possible après l acquisition du médium. (plus contraint par l écoute sur le médium). Organigramme de principe de la technique CSMA/CD Protocoles sans collision Plan - Couche MAC Exemple : Basic Bit-Map période de contention = N slots Problématique de l accès au canal réservation pour l'émission des prochaine trames Chaque station (numérotées de 0-N) positionne dans la trame de contention LE bit qui lui corresponds si elle souhaite émettre. Toutes les stations sont ainsi informées de qui veut émettre, et le font ensuite à tour de rôle, dans l ordre des numéros de stations Allocation du Canal Protocoles d'accès Standards IEEE Historique Support Physique Format des trames Principe de la communication Gestion des collisions Interconnexion de LAN 27 28

8 IEEE 802 (ISO 8802) CSMA/CD - Ethernet / / Couches PHY et MAC spécifique au 3 types de LAN LAN basé sur 1-persistent CSMA/CD basé sur 10Mbps Ethernet Xerox, DEC, Intel Issu du Xerox Ethernet thèse de Metcalfe/Boggs (1976) CSMA/CD à 2.94Mbps/cable de 1km inspiré de ALOHA généralement et abusivement appelé Ethernet Topologie en bus, Pas de boucle Communication en bande de base Pas de modulation Simplicité 1 baud = 1 bit/s Transfert par diffusion passive Circulation autonome des données Chaque station reçoit toutes les données Pas de trames simultanées Câblage (1) Câblage (2) 10Base5 sur coax épais jaune (thick coax) 500m et 100 machines par segment 10Base2 sur coax fin noir (thin coax) 200m et 30 machines par segment 10Base-T sur paires torsadées 100m et 1024 machines par segment / topologie en étoile 10Base-F sur fibre optique 2000m et 1024 machines par segment / topologie en étoile 100/1000Base-TX sur paires torsadées 100m par segment / topologie en étoile 100/1000Base-FX Fibre mono ou multi-mode / topologie en étoile 31 32

9 Topologie Codage Manchester Généralisable sous forme d'arbre Pour relier plusieurs segments : répéteurs Limitation entre 2 transceiver : 2500m maximum 4 répéteurs Pour synchroniser et indiquer la présence d'un signal Utilisé dans tout les codages bande de base avec niveau bas = -0.85v niveau haut = v Le médium peut prendre trois états Passage d un niveau haut à bas : transmission d un 1 Passage d un niveau bas à haut : transmission d un 0 niveau 0V, le médium est libre Nécessité de doubler la bande passante (a) Topologie linéaire (c) Arborescence (évite chemins multiples) (b) backbone avec répéteurs (d) Ponts (bridges) IEEE Adressage MAC IEEE Reconnaissance des trames Chaque station reçoit toutes les données Emetteur d une trame? Destinataire d une trame? Ajout d un bordereau d envoi Entête de trame Adresse destination Adresse source Notion de trame Source Données Comment reconnaître le début de trame? Présence de signaux transitoires Synchronisation du récepteur Nécessité d un préambule Ensemble d octets connus, permet de synchroniser les horloges 7 octets = 7 x Donnée régulière + Manchester synchronisation des horloges synchronisation bit 10Mhz pendant 5,6 microsec Ne transmet pas d information perte non gênante Source Données Adresses MAC 35 36

10 IEEE Le préambule, bis IEEE Reconnaissance des trames Réception du préambule en cours de route Déjà commencé Depuis quand? Nécessité de marquer la fin du préambule Insertion d un «Start Frame Delimitor» Caractère spécial : Suit le préambule Précède les données Synchronisation caractère/trame Comment reconnaître la fin de trame? Marqueur de fin SONET / SDH Longueur de trame Norme Plus de données? Selon le code utilisé, pas toujours possible Ethernet = Manchester Utilisation d un silence inter trames de 9,6 µs Niveau du signal sur le bus = BAS pendant 9,6 µs fin de trame Préambule Source Données IEEE Trame de données IEEE Gestion des erreurs Norme Apparition de bruit dans le signal Réductible, mais Inévitable Possibilité de modification des données Préambule Source Long Données Ajout de redondance avant émission Code détecteur d erreur Recalcul à la réception Différence modification données destruction de la trame endommagée Norme Ethernet Préambule Source Type Données 39 40

11 IEEE Trame de données Différences / Ethernet Norme Préambule Source Long Données CRC Dans la norme, le champ protocole était supposé indiquer la longueur effective du contenu de la trame. Dans Ethernet le champ est utilisé pour dénoter le protocole utilisé, la détection de fin de trame est vrai quand aucun signal n est détecté sur le médium. Le champ "protocole" peut prendre les valeurs suivantes : Norme Ethernet 0800 protocole IP 0806 protocole ARP Préambule Source Type Données CRC 0835 protocole RARP 8019 protocole DOMAIN 809B protocole Appletalk IEEE Adresses MAC IEEE Trame de données Norme octets 3 octets constructeur 3 octets numéro de série Notation hexadécimal : exemple : 8:00:20:06:D4:E8 chaque adresse est UNIQUE au monde 1 Adresse de Broadcast FF:FF:FF:FF:FF:FF Norme Préambule Source Long Données CRC 7 octets Norme Ethernet Préambule Source Type Données CRC 1526 octets 43 44

12 802.3 Principes de communication Gestion des collisions Principe de diffusion Sens de circulation des octets premier: premier octet du préambule dernier : dernier octet de la séquence de contrôle Sens de circulation des bits pour un octet premier: bit de poids faible (bit 0) dernier : bit de poids fort (bit 7) Espace inter-trames : 9.6 µs minimum espace inter-trames 9.6 µs --> 9.6 µs x 10Mbit/s = 96 bits time (12 octets) Principe de fonctionnement 1. Diffusion du signal. 2. Écoute du signal par l ensemble des stations. 3. Synchronisation sur le préambule des trames MAC. 4. Lecture de l adresse MAC Destination. 5. L adresse Destination correspond : MAC récupère les bits et les transmet à LLC. Si l adresse de destination ne correspond pas alors la trame est ignorée. Comment optimiser la détection des collisions? Rappel : Basé sur du CSMA/CD 2 T nécessaire au maximum pour détecter la collision Gestion des collisions Gestion des collisions Minimiser le temps pendant lequel une collision peut se produire : le temps maximum de propagation d une trame, temps aller et retour de la trame : le round trip delay = 50 µs 50 µs # 500 bit times # 63 octets ---> une collision ne peut se produire qu'en début d'émission d'une trame (collision window). Conséquences : La trame doit avoir une taille minimale telle que son temps d émission soit supérieur à 500 bits times. On défini un Slot time = 51.2 µs ( -> 64 octets) = le temps d'acquisition du canal : une collision ne peut se produire que durant ce temps la station émettrice ne peut se déconnecter avant la fin du slot time (pour avoir la certitude que la transmission se soit passée sans collision) Pour tenir ce temps maximum (RTD), on impose des limitations : Longueur et nombre de segments, nombre de boîtiers traversés par une trame,... Émetteur : écoute le signal "collision détection" pendant 51.2 µs (64 octets) à partir du début d'émission S'arrête d'émettre quand il détecte une collision en comparant le signal émis avec le signal reçu par exemple L arrêt de toute émission avec une attente pendant un temps aléatoire. Puis n importe quelle station peut ré-émettre. Récepteur : si reçoit une trame de taille inférieure à 72 octets (64+8) => collision 47 48

13 802.3 Paramètres de base & LLC formats de trame La taille du réseau : 4 répéteurs maxi entre deux stations. Le round trip delay : 512 bits times. La taille du JAM : 32 bits. En cas de collision successives : 16 ré-émissions de la trame. Intervalles de temps de ré-émission : de 512 bits times à 5 millisecondes. La taille d une trame Ethernet : doit rester minimale. Le délai inter-trames : 96 bits Times Nbre adresses maxi sur même réseau : Débit : 10 ou 100 Mbits/s Encaspulation des LLMPDU dans le champ LLCData Le LLC «header» est utilisé pour distinguer les multiples applications Le champ length définit la longueur du champ data Ethernet commuté Ethernet commuté Augmentation des performances sans changer le matériel utilisateur Remplacement des «hubs» par des «commutateurs» Ils se comportent comme des ponts filtrants à plusieurs entrées. Idéalement un utilisateur est situé sur chaque segment desservit par le commutateur Largeur de bande non partagée: transmission de trames en parallèle -> diminue les collisions / augmente l utilisation du réseau Deux modes de fonctionnement des switchs Store & Forward Reçoit une trame, vérifie la validité et retransmet 50 µs pour une trame de 64 octets Cut through Lecture de l adresse puis retransmission 20 µs pour une trame de 64 octets Transmission des trames non valides Exemple d architecture 51 52

14 Gigabit Ethernet Token Bus Comment augmenter le débit de transmission Slot size 51.2 s (512 bits) 10 Mb/s: couverture 2500 m 100 Mb/s: couverture 250 m 1 Gb/s: couverture 25 m Pour permettre la même couverture La taille minimale de la trame doit être augmentée 512 bytes, couverture 200 m Problèmes de performance Bourrage utilisation de 10% de la BP Packet Bursting Utilisation de 40 % Déterministe (802.3 délai non borné) Topologie linéaire (ou arbre) sur coax 75ohm (TV) Broadband Construction d'un anneau virtuel Echange d'une trame particulière, le jeton (token) à son voisin Seul le possesseur du jeton peut émettre (1.5 et 10Mbps) Complexe et Protocole MAC Token Ring 4 classes de priorité Déterministe (802.3 délai non borné) Gestion de l'anneau par envoi de trame d'interrogation Topologie en anneau (= somme de liaisons point-à-point) Envoi de ses deux adresses adjacentes et réponse des membre intermédiaires (classement selon les adresses) Trame différentes de : Circulation du jeton (token) sur l'anneau Retrait de la trame transmise (1, 4 et 16 Mbps) par l'émetteur 55 56

15 802.5 et Protocole MAC 802 comparaison Jeton de 3 octets Temps de possession du jeton limité (10ms) Access Control : indique les priorités et la disponibilité du jeton Utilisation d'une station de contrôle pour superviser le jeton jeton trame Performances équivalentes 8O2.3 le plus répandu le plus simple rajout de station à chaud pas de délais à faible charge taille mini = 64 octets non déterministe pas de priorités dégradation à forte charge 8O2.4 priorités déterministe performant à forte charge très complexe 8O2.5 priorités déterministe détection pb de câble performant à forte charge en partie centralisé Plan - Couche MAC Interconnexion de LAN Problématique de l accès au canal Allocation du Canal Protocoles d'accès Standards IEEE Interconnexion de LAN Bridge utilisé au niveau de la Couche Liaison Ex: interconnection de plusieurs LAN à un backbone pour obtenir une capacité supérieure Permet aussi l interconnexion de deux LAN ayant des technologies différentes 59 60

16 Pont 802.x vers 802.y 61