Interconnexion et gestion des réseaux. Cours 3 : La relation couche Physique et couche Liaison

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1 Interconnexion et gestion des réseaux Cours 3 : La relation couche Physique et couche Liaison

2 Interconnexion et gestion des réseaux Plan du cours 1. La relation couche Physique et couche Liaison A. La couche MAC B. La sous couche LLC C. La sous couche SNAP 2. La détection de collision A. Le CSMA/CD B. L algorithme du backoff 3. Particularités de la couche Liaison

3 Réseau Local? 1. Un câblage reliant les différents noeuds suivant une certaine topologie 2. Une méthode d'accès au support pour assurer son partage 3. Une méthode d'adressage pour identifier chaque entité du réseau 4. Un ensemble de protocole pour permettre la communication 5. Des applications qui utilisent les protocoles de communication

4 Couche 1 et 2 des Lans PMD - Physical Medium Dependent Assure le transfert des données (bits) sur des supports variés câble coaxial, paire torsadée, fibre optique, sans fil; PMI - Physical Medium Independent Détecte la présence d'un signal, codage, récupération d'horloge (synchronisation) MAC - Medium Access Control Contrôle l'accès partagé au support et contrôle d'erreur LLC - Logical Link Control Établie / rompt la connexion, gère de la liaison logique

5 Comité IEEE 802.x : architecture générale des réseaux locaux, format d'adressage, techniques d'interconnexion et d'administration : protocole LLC divisé en trois classes de services LLC1 : mode non connecté (pas de reprise sur erreur,pas de contrôle de séquencement et de duplication) LLC2 : mode connecté proche d'hdlc LLC3 : mode non connecté mais avec acquittement (détection d'erreur) à et à : spécifications des différentes méthodes d'accès

6 Architecture Protocolaire Les Couches OSI et normalisation IEEE Définition des couches Physique et Liaison

7 La couche MAC Gestion de l'accès au support, problèmes d'adressage (adresse MAC), contrôle d'erreurs (FCS) Les méthodes d'accès aléatoires (ou à contention) CSMA - Carrier Send Multiple Access (accès multiple avec écoute de la porteuse) CSMA/CA - Collision Avoidance (AppleTalk, , ) prévention de collision AppleTalk obsolète : 230,4 kbit/s pour le partage d'imprimantes CSMA/CD - Collision Detection (Ethernet) détection de collision normalisé par IEEE et ISO

8 L'adressage MAC IEEE (1) Numéro de vendeur attribué par l'ieee (RFC 1340) ex: Cisco ( C), Sun ( ), Xerox (00-00-AA) Numéro de série attribué par le constructeur Adresse de broadcast : FF-FF-FF-FF-FF-FF utilisée par les protocoles de résolution d'adresses la trame est délivrée à la couche supérieure utilisation néfaste pour les performances (IT CPU) I/G = 0 : adresse individuelle (unicast) I/G = 1: multicast ou broadcast U/L = 0 : adresse universelle IEEE U/L = 1 : adresse locale (unicité garantie par l admin)

9 L'adressage MAC IEEE (2) Écriture de l'adresse : le bit de poids faible est transmis en premier I/G est le bit de poids faible de l'octet de poids fort format IEEE (forme canonique) : bit de poids faible en tête, octet de poids fort devant, séparation des octets par : 80:00:00:00:00:00 signifie I/G=0 et U/L=1 utilisé par Ethernet format non canonique : écriture inversée, octets séparés par signifie I/G=1 et U/L=1 utilisé par Token Ring

10 L'adressage MAC IEEE (3) Adresse de diffusion restreinte (multicast) bit I/G=1 -> désigne un ensemble de stations chaque station stocke une liste d'adresses de groupe (fournies par des applications qui utilisent le multicast) auxquelles elle doit répondre le filtrage est réalisé au niveau MAC contrairement à la diffusion généralisée (broadcast) par exemple pour IP multicast (adresses de classe D), la plage d'adresses MAC s'étend de E à E-7F-FF-FF (RFC 1112)

11 L'adressage MAC IEEE (4) En 1995, la norme IEEE 1394 a défini une nouvelle structure d'adresse MAC sur 64 bits (EUI-64) Le numéro de série est étendu à 5 octets pour répondre à la pénurie d'adresses du fait des quantités de matériels vendus extension aux applications domestiques grand public (téléviseurs, magnétoscopes, ) L'IEEE n'attribue une nouvelle adresse a un constructeur que si ce dernier a déjà utilisé plus de 90% de ses valeurs possibles

12 Détection des collisions : La sous couche MAC La couche MAC est indépendante du support de transmission, il suffit que ce dernier supporte le CSMA / CD Deux fonctions : 1. Gestion de données Mise en forme de la trame : champs, gestion du FCS Conversion octets Eléments Binaires 2. Gestion de la liaison Allocation du canal Gestion des collisions en écoutant les signaux «Carrier Sense» et détection des collisions générées par la couche physique

13 Format des trames Trame IEEE Trame Ethernet Préambule : 7 fois pour la synchronisation bit SFD (Start Frame Delimitor) : pour la synchronisation octet Bourrage : si Lg < 46 octets pour detection collision FCFS : sur 4 octets pour la détection d erreur Différence IEEE 802.3/Ethernet : champ Lg/Type

14 L'adressage MAC IEEE (5) Le champ Lg / Type et compatibilité : : le champ Lg désigne la longueur des données utiles (sans le padding) et Lg < 1500 Ethernet : le champ Type désigne le type des données (i.e. le protocole à qui il faut délivrer les données) exemples : IP=0x0800, ARP=0x0806, IPX=0x8137 la couche supérieure véhicule la longueur des données Compatibilité assurée par le fait que le champ Type ne commence la numérotation des protocoles qu'à partir de la valeur décimale 150 Données utiles : min (46-64 octets) : Faciliter la distinction entre les trames valides et tronquées Éviter la collision entre des trames trop courtes

15 L'adressage MAC IEEE (5)

16 Différentes Sous Couches Couche Liaison En fonction des standards, la couche Liaison peut être divisée en une ou plusieurs sous-couches : 1. Sous-couche MAC = Medium Access Control Chargée du contrôle d accès au canal 2. Sous-couche LLC = Logical Link Control Offre différents types de service à la couche Réseau Effectue des contrôles d erreurs et de flux Orienté connexion ou datagramme 3. Sous-couche SNAP = Sub-Network Access Protocol Pour avoir un en-tête comportant un nombre entier B 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

17 Sous Couche LLC : Logical Link Control Objectifs : 1. Cacher à la couche réseau les différences topologiques physiques, 2. Fournir une garantie de livraison des messages (LSDU Link Service Data Unit), la détection et la reprise sur logiques Infos de séquencement Contrôle de flux Données Paquet DSAP SSAP Sous Couche LLC LLC Paquet LPDU Sous Couche MAC MAC LPDU MAC Trame

18 Adresses LLC : Structure similaire au trame HDLC DSAP et SSAP permettent d identifier les points d accès entre les couches Réseau et la couche Liaison Valeurs de SAP: SAP Hexadécimal SAP décimal SAP binaire Désignation SAP nul Gestion de la couche LLC Ip 42 B Spanning Tree 7 E X25 3 AA SNAP E IPX F Net Beui

19 LLC : Identifie le type de trame B

20 LLC : Type de connection logique entre stations : LLC type 1 : Service minimum. - Sans connexion (pas de liaison logique), et sans acquittement (pas de retour d'information sur le bon déroulement de l'acheminement). - Connections point à point (un émetteur et un récepteur) ou diffusion (un émetteur pour plusieurs récepteurs). B

21 LLC : Type de connection logique entre stations : LLC type 2 == HDLC Wan Service orienté connexion (liaison logique entre SAP), avec établissement CV, acquittement, contrôle de flux, vérification de l'ordre des trames, détection et correction d'erreur, et enfin détection des doubles. L'identificateur créé par association SSAP/DSAP ( Source Service Access Point / Destination Service Access Point ) est unique. LLC type 2 ne permet que des communications en point à point. LLC type 3 B Service sans connexion acquitté, mais sans retransmission (pas de correction des erreurs), offrant une prestation de qualité intermédiaire simple et performante. Trame envoyé après Réception A/R

22 La sous couche SNAP : Structure Format des trames : Une entête de trame SNAP fait 5 octets Une entête de trame LLC fait 3 octets 8 octets OUI Code du protocole Données SNAP Emploi de Snap ne se limite pas à résoudre les problèmes conflictuels entre les organisations de standardisation Il permet de rendre universel le standard Ethernet qui peut être employé sur un circuit virtuel (X25, Frame Relay, ATM,etc.

23 Interconnexion et gestion des réseaux La détection de collision : le CSMA /CD Accès multiple avec écoute de la porteuse

24 Détection des collisions Avant une transmission une station Ecoute le canal avant d émettre Émet que si le canal est libre et si aucune porteuse n est détectée Exemple : S2 veut émettre mais trouve le canal occupé (S1 en émission) S2 continue d écouter jusqu à ce que le canal devienne libre (S1 finit d émettre) après un intervalle minimum de silence (délai inter-trame ou interframe gap), la station S2 commence à émettre

25 Détection des collisions Cette règle diminue les collisions mais ne les élimine pas Cas de collisions : S2 et S3 écoutent le canal en même temps le détecte libre en même temps transmettent en même temps et entrent en collision Une collision est un signal brouillé violant les règles de codage en bande de base

26 Détection des collisions : Paramètres du protocole Paramètre 1 : Fenêtre de collision ou slot time Temps minimal pendant lequel une station doit émettre pour détecter une éventuelle collision (dans le cas des 2 stations les plus éloignées sur le réseau) Egale à deux fois le temps de propagation d un signal sur le support Norme : le slot time fixé à 51.2 µs correspond à une longueur de trame minimum de 512 bits pour 10 Mb/s Durée minimum d une trame supérieure ou égale au slot time Pour assurer la compatibilité entre les différentes versions et ne pas pénaliser les performances la taille de la trame est inférieur à 64 octets, des bits de bourrage (padding) sont introduits

27 Détection des collisions : Architecture logique Paramètre 2 : La période de vulnérabilité représente la durée pendant laquelle une station peut détecter le canal libre et transmettre ; égale à un temps de propagation entre les deux stations les plus éloignées. Paramètre 3 : Le délai inter-trame ou interframe gap représente le temps d attente entre deux transmissions successives, il est de 9,6 µs

28 Protocole CSMA /CD Principe de base : 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. B Waiting (attente) Une station qui a participée à une collision attend un temps aléatoire avant d essayer de retransmettre sa trame.

29 Gestion du bus logique Collisions et Brouillage B

30 Mac Principe d émission La couche LLC fait un appel Transmet Trame. La sous couche Mac Ajoute le préambule et le SFD à la trame Ajoute le padding si nécessaire Assemble les champs d de Destination, tailles, données et padding Calcule le FCS et ajoute à la trame Transmet la trame à la couche Physique Si Carrier Sense = Faux depuis 9,6 microseconde au moins, la transmission s effectue Sinon elle attend que Carrier B Sense = Faux

31 Mac Principe de Réception La couche LLC fait un appel Reçoit Trame. La sous couche Mac est à l écoute de Carrier Sense et reçoit tout les trains de bits qui circulent sur le câble Retire le préambule et le SFD de la trame Vérifie le champ longueur et retire l éventuel padding Analyse du destinataire différente de la sienne Suppression de la trame sinon Découpe la suite de bits du champ info en octets Transmet à la couche LLC les d de Destination, tailles, données Calcule le FCS et indique une erreur à la couche LLC si FCS incorrect B Trame trop grande > 1526 octets avec Préambule Trame trop petite < 64 octets Longueur de la trame n est pas un nombre entier d octets (erreur d alignement)

32 Mac : Backoff Reprise après collision Si collision Alors retransmission après un délai aléatoire Algorithme BEB (Binary Exponential Backoff) But : minimiser le temps d attente en cas de faible trafic minimiser le nombre de collisions successives en cas de trafic important Principe : tirer au sort la durée d attente avant la prochaine tentative d émission où : k = min(n,10) et n = nombre total de collisions subies par la station la station attend donc T fois le slot time lorsque n atteint 16, la transmission est alors abandonnée et la couche supérieure est informée. B

33 Mac : Backoff Problème posé 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 B des autres stations continuant à augmenter

34 Contrainte de fonctionnement Règle fondamentale : Le temps d émission d une trame doit être supérieur au temps de propagation aller-retour maximal dans le domaine de collisions Temps Max Ecoulé = Aller + Retour (RTT Round Trip) Temps d émission = Longueur de la trame / Débit du Canal Condition du bon fonctionnement du CSMA /CD Pour minimiser le temps pendant lequel une collision peut se produire, on impose le temps maxi de propagation aller retour à 51,2 microsecondes La station ne peut se déconnecter avant la fin de ce slot time En imposant la valeur du RTT on contraint : la longueur des segments le nombre de segments T(e) < RTT le nombre de répéteurs traversés par un trame B

35 Gestion du bus logique : le CSMA / CD Problème : une station regarde si le câble est libre avant d émettre le délai de propagation n est pas nul => une station peut émettre alors qu une autre a déjà commencé son émission les 2 trames se percutent : c est la collision plus le réseau est grand (nombre de stations), plus la probabilité d apparition de collisions est grande Solution limiter le temps pendant lequel la collision peut arriver temps de propagation aller-retour d une trame (Round Trip Delay) limité à 50 µs ce délai passé, aucune collision ne peut plus arriver la norme définit un «Slot Time» d acquisition du canal égal à 51.2 µs ce qui correspond à une longueur de trame minimum de 512 bits une station doit donc écouter le signal «Collision Detection» pendant 51.2 µs à partir du début d émission

36 Points de repère Délai inter-trame de 96 temps bits ms pour un réseau à 10 Mbps ms pour un réseau à 100 Mbps ms 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 B 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

37 Mode 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 B Mode de communication «full-duplex» sans collisions possibles Possible uniquement entre nœuds qui ne sont pas des répéteurs (stations, ponts, switchs, routeurs)

38 Adresse 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» Exemple : X C permet d atteindre un pont supportant l algorithme du spanning-tree B

39 Comité IEEE Résumé : Les différentes variantes utilisent : CSMA /CD Half Duplex Bande base Code Manchester Elles diffèrent par Le type de support Le type de topologie Le débit