RLI Réseaux Locaux et Interconnexions L3 Informatique Cours : Jean-Jacques Pansiot pansiot@unistra.fr TD/TP : Pascal Mérindol merindol@unistra.fr RLI 2011 1 LAN Canal partagé Câble, canal radio Réseau local : Méthode d accès Limites en étendue, débit RLI 2011 2 Interconnexion : pont Pont Pont/commutateur ethernet Filtrage Suppression des boucles => Réseau local «étendu» RLI 2011 3
Interconnexion : routeurs R LAN = sous-réseau IP Routeur Routage adressage Ex : réseau d entreprise R RLI 2011 4 Interconnexion : inter-domaine R R R R R R R Routeurs frontière Politique de routage R RLI 2011 5 Réseaux Locaux LAN : Local Area Network concept apparu début années 80 Local : quelques mètres à quelques kilomètres distances faibles débits élevés à moindre coût infrastructure privée moins de contraintes réglementaires propriétaire du réseau = propriétaire des murs En général réseau d égal à égal toute station avec toute autre RLI 2011 6
Réseaux Locaux Infrastructure partagée Niveau 0 gaines, tubes, armoires, Niveau 1 support de transmission câbles métalliques (paires torsadées, coaxial) fibres Canal radio (Wifi) répéteurs/hub, transceiver, «modems» Niveau 2 ponts/switch Eventuellement niveau 3 et + (routeurs, firewall, ) RLI 2011 7 Réseaux Locaux Objectifs fournir connectivité de tous vers tous fiable équitable transparente extensible (débit, nombre de machines, étendue?) à faible coût (installation, maintenance, ) => PARTAGE RLI 2011 8 Réseaux Locaux LAN = multiplexeur distribué Comment contrôler accès au réseau : éviter les conflits («collisions») ou les résoudre accès équitable délai d attente limité => méthodes d accès RLI 2011 9
Réseau partagé infrastructure partagée (câble, canal radio, ) S i S 1 S N S 2 S 4 S 3 Quand peut-on émettre? RLI 2011 10 Méthodes d accès (1) Certaines inspirées du multiplexage méthodes statiques méthodes dynamiques centralisées méthodes dynamiques distribuées préventives (pas de conflit) curatives (résolution des conflits) RLI 2011 11 Méthodes d accès (2) Méthodes statiques multiplexage en fréquence ou temporel peu adaptées aux flux informatiques à débit variable Méthodes dynamiques centralisées Polling entité maître interroge les esclaves donne droit d émettre extensibilité? fiabilité? RLI 2011 12
Méthodes d accès (3) Méthodes dynamiques distribuées méthodes distribuées préventives : ex : méthodes à jeton jeton = message donnant droit à émettre nombreuses variantes méthodes dépendent topologie du réseau (anneau, bus) architecture matérielle Exemple : bus à jeton (token bus) RLI 2011 13 topologie en bus Bus à jeton support partagé tout le monde entend tout le monde 2 (ou +) émetteurs simultanés = collision => trames erronées Algorithme déterministe : qui peut émettre? Token bus RLI 2011 14 Réseau en bus S i S 1 S n S 2 S 4 S 3 Emission trame S 1 Emission simultanée S 4 collision RLI 2011 15
Principe Stations organisées en anneau logique S 1, S 2,, S n fonction successeur succ(s i ) = si i < n alors S i+1 sinon S 1 fsi jeton circule sur anneau jeton (= petite trame spéciale) adressé S i envoie jeton à succ(s i ) toute station «voit» le jeton (bus) seul destinataire «capture» le jeton RLI 2011 16 Principe (2) Lors de la réception du jeton par S i = le jeton lui est adressé si trame à émettre envoyer une (ou plusieurs) trames de données En général quantité limitée (ex : 1 trame) envoyer jeton à succ(s i ) Données : les trames de données (adressées) atteignent directement leur(s) destinataires(s) : bus Possibilité de diffusion (broadcast) RLI 2011 17 Fiabilité Panne station ne coupe pas le réseau Physiquement (mais perte jeton?) bus : tout le monde peut surveiller le jeton circulation jeton absence jeton et trame de données (silence) => perte jeton et/ou panne station si S i ne ré-émet pas le jeton S i-1 peut lui renvoyer (perte jeton?) si pas de résultat (panne S i?) S i-1 peut l envoyer à S i+1 nécessite de connaître successeur du successeur => écoute du jeton par exemple RLI 2011 18
Insertion station Comment ajouter une station? Nouveau ne peut se faire connaître car on ne lui donne pas la parole (le jeton) idée : nouvel arrivant écoute bus à intervalle régulier possesseur du jeton S i envoie requête (broadcast) «Y a-t-il un (des) nouveau(x)»? Nouveau répond avec son identité X S i lui envoie succ(s i ) et change de successeur : X X s insère donc entre S i et S i+1 Si plusieurs nouveaux en même temps? collision ré-essayer après délai aléatoire : voir CSMA/CD RLI 2011 19 Garanties de délai/débit Durée de rotation du jeton Ex : jeton de 200 bits, trames de données 10 000 bits max réseau 10 Mb/s, 100 stations, propagation 10µs «à vide» jeton fait un tour en 100 * (200/10 7 + 10µs) = 3 ms minimum Attente moyenne à vide 1,5 ms Débit max 10 000/(10 000/10 7 +0,003) = 2,5 Mb/s ( 10 Mb/s!!) «à pleine charge» (chaque station envoie 10 000 bits) Rotation : 100 (10 000/10 7 + 200/10 7 + 10µs ) = 103 ms Débit garanti = 10 000/0.103 = 97 Kb/s (théorique) Total? RLI 2011 20 Synthèse jeton sur bus Possibilité de garanties délai et débit Déterminisme (en l absence de panne/insertion) rotation jeton «lente» Pénalise à faible charge Bonne utilisation à forte charge panne station détectable Difficulté insertion station peu adapté réseaux dynamiques A été utilisé réseaux industriels «temps réel» (ieee 802.4) RLI 2011 21
Méthodes d accès curatives Méthodes utilisées réseaux à diffusion réseau radio ou bus physique exemples Aléatoire pure (Aloha) CSMA CSMA/CD CSMA/CA RLI 2011 22 Méthode Aloha Contexte : réseau radio stations partagent le même canal radio => émissions «simultanées» = collision Algorithme si trame à émettre alors émettre trame Délai avant émission nul si collision : trames perdues ré-émission prise en charge par couche supérieure fiable ex TCP => délai élevé en cas de collision, perte bande passante RLI 2011 23 Performances Aloha Hypothèses (pas toujours réalistes) nombre arbitrairement grand de stations émetteurs indépendants suivant loi de Poisson D = débit maximal théorique en trames/s ex : 1 Mb/s trames de L = 1000 bits : D = 1000 trame/s durée émission trame t = 1/D = 1 ms G = charge totale émissions + ré-émissions G = nombre de trames (ré)-émises /D ex 100 émetteurs envoient chacun 8 trames/s => G = 0,8 G peut être supérieur à 1 (mais problème!) Proba(k émetteurs pendant t) = G k e -G /k! 0 émetteurs pendant t : e -G, 2t : e -2G RLI 2011 24
Performances Aloha (2) Débit utile en fonction charge période de contention dure 2t : [ t 0 - t, t 0+ t ] si la trame est émise en t 0 Proba (émission réussie) = proba (0 émission en 2t) Débit utile (en trames par période t)= G e -2G Débit utile maximal pour G = 1/2 et vaut 1/2e = 0,184 (voir Tanenbaum pour les calculs) ex G=1/2 => 500 trames/t dont 184 «passent» 18,4% OK, 31,6% collision, 50% vide G < 1/2 => moins de collisions mais moins de débit G > 1/2 => collisions augmentent Si G tend vers l infini, débit utile tend vers 0 RLI 2011 25 Problèmes Aloha Nombre de collisions croissant avec la charge => peut-on en éviter tout ou partie? Durée d une collision (= temps perdu) durée d une trame complète => peut-on réduire cette durée? Durée de réparation d une collision retransmission par une couche supérieure délai de garde (TCP, ) => peut-on réduire ce délai? RLI 2011 26 Amélioration Aloha Amélioration possible diminuer période de contention Aloha en tranche (ou discrétisé) émetteurs synchronisés : 1 top tous les t (= tranche) Émetteur(s) n envoie(nt) qu à un top => période de contention dure t (au lieu de 2t) Débit utile (rendement ) = G e -G => maximum atteint pour G = 1 rendement max 1/e = 0,368 (double d Aloha pur) Autre amélioration diminuer nombre de collisions : CSMA RLI 2011 27
CSMA Carrier Sense Multiple Access Réseau à diffusion et écoute du signal Principe : émetteur écoute le canal avant d émettre Suppose que l émetteur peut aussi recevoir Algorithme Si trame à émettre Si canal occupé attendre recommencer Sinon émettre trame RLI 2011 28 CSMA (2) Plusieurs stratégies suivant politique d attente émission dès que le canal est libre : CSMA persistant» - risque d accumuler les collisions après une trame» deux stations attendent qu une troisième ait fini» + délais courts attendre un délai aléatoire avant d écouter de nouveau» CSMA non persistant» avantage et inconvénients inversés Collisions toujours possibles émissions «simultanées»» au temps de propagation près» quelques dizaine de µs dans ethernet (contention)» alors qu émission de 10 000 bits à 10 Mb/s = 1 ms Temps perdu pendant les collisions émission d une trame complète => amélioré par CSMA/CD RLI 2011 29 CSMA/CD CSMA with Collision Detection CSMA avec détection de collision (par les émetteurs) Suppose que physiquement un émetteur émet une trame simultanément écoute le signal (donc réception particulière) principe : signal émis signal reçu => collision détectée Algorithme si trame à émettre attendre canal libre suivant CSMA persistant ou non commencer à émettre la trame tant que émission non terminée si collision détectée arrêter émission, attendre un certaine délai recommencer au début RLI 2011 30
CSMA/CD (2) A priori s il y a une collision détectée après au plus 2t Où t = temps de propagation aller au bout de t toutes les stations reçoivent signal => émettent au plus tard en t- ε signal collision revient en au plus t : total < 2t nécessite que le premier soit encore en émission Réduction temps perdu par collision ( ~ 2t) intéressant si 2t << temps émission trame complète collision détectée rapidement => ré-émission plus rapide RLI 2011 31 CSMA/CD (3) CSMA/CD et taille des trames L taille trame minimale D débit binaire t = temps de propagation aller maximal entre 2 stations Station A Emission trame : L/D collision détectée si A émet encore Station B t 1er bit de B arrive en A 1er bit de A arrive en B t Condition L/D > 2t RLI 2011 32 CSMA/CD : attente avant ré-émission Combien de temps attendre avant ré-émission? délais fixes identiques => collision se répète délais fixes différents => priorités délais aléatoires» intervalle court => attente faible, répétition collision fréquente» intervalle long : l inverse Binary Exponential Backoff à la k ième ( k 0) tentative de retransmission d une trame» tirer i aléatoirement dans [0, 2 k [» attendre un temps i. T où T est l unité de temps > 2t Collision se répète si et seulement si parmi les i tirés» 2 émetteurs ont tiré la (même) valeur minimale RLI 2011 33
CSMA /CD : attente (2) Exemple Binary Exponential Backoff avec 2 émetteurs» première collision chaque émetteur tire 0 ou1 proba 1/2 de répéter collision» deuxième essai chaque émetteur tire 0, 1, 2 ou 3 => proba 1/4 de répéter collision» décroît très rapidement quand k augmente Note» possibilité de collisions multiples (plus de 2 émetteurs) => toutes les stations n ont pas forcément le même k En pratique dans ethernet» i tiré dans dans [0, 2 min(k,10) [ : attente < T * 2 10» k limité à 16» => au delà de 16 retransmissions la trame est abandonnée RLI 2011 34 Synthèse CSMA/CD + Attente nulle si réseau peu chargé comme Aloha + Collisions limitées et retransmission rapide niveau LAN (indépendant couches hautes) - Pas de garantie de délai - exemple T = 50 µs, => 2 10 T = 51,2 ms - Pas de garantie que la trame sera transmise!! - Pas de garantie de débit minimum + Mais en pratique fonctionne très bien (ethernet) - si peu d émetteurs - ou réseau non saturé (exemple 30%) RLI 2011 35 CSMA/CA CSMA/CD pas toujours possible impossibilité émettre/écouter simultanément ou signal autre émetteur non audible exemple du terminal caché réseaux sans fil» distance trop grande entre émetteurs» ou obstacles CSMA/CA Collision Avoidance «évitement de collision» RLI 2011 36
Terminal caché A B C portée de A portée de C A n entend pas C : collision en B RLI 2011 37 Terminal exposé A B C D portée de B C entend B qui émet pour A C n émet donc pas alors que D hors de portée de B RLI 2011 38 Ex : MACA Multiple Access with Collision Avoidance émetteur potentiel envoie trame RTS Ready to Send avec taille trame à émettre, destinataire» tout ceux à sa portée sont au courant récepteur (s il a reçu RTS) envoie trame CTS Clear To Send (taille trame)» tout ceux à sa portée sont au courant si émetteur reçoit CTS => envoie trame récepteur envoie acquittement dans la foulée Echec (pas de CTS) : recommencer plus tard (aléatoire comme CSMA/CD) améliorations : écouter avant d émettre envoyer courte trame d acquittement (remplace CD) principe utilisé dans WiFi 802.11 RLI 2011 39
RTS/CTS A Délai L trame RTS B trame RTS C Délai L D Délai L portée de B CTS Ack CTS Ack B veut émettre vers C B envoie RTS(C, L) A attend (~durée L) C envoie CTS(L) D attend ( ~durée L) B envoie trame (durée L) C envoie Ack RLI 2011 A et D débloqué 40 Normalisation des LAN Comité 802 de l IEEE normalise les LAN premières normes en 1985 certaines normes accessibles par internet http://standards.ieee.org/getieee802/802.html Certaines des normes reprises par l ISO ex IEEE802.3 => ISO 8802-3 RLI 2011 41 Architecture IEEE802 La couche liaison (2 de l ISO) découpée en deux sous-couches couche MAC : Medium Access Control définit une méthode d accès (CSMA, ) couche LLC : Logical Link Control commune aux différentes couches Mac définit un protocole de liaison» lien «virtuel» entre deux stations» 3 types de protocole suivant le service» LLC type 1 : datagramme non fiable (le + utilisé)» LLC type 2 : avec connexion, fiable (à la HDLC)» LLC type 3 : sans connexion, avec acquittements RLI 2011 42
Architecture IEEE802 (2) Réseau local normalisé défini par une méthode d accès (couche Mac) une couche physique caractérisée par plusieurs paramètres support (paire torsadée, coaxial, fibre, canal radio) débit encodage (adapté au support et au débit) paramètres du réseau (distance, nombre équipements, ) RLI 2011 43 Architecture IEEE802 (3) Management, bridging 802.1 couche 2 OSI couche 1 OSI LLC Mac1 Mac2 Mac3 Phy Phy Phy Macn Phy 802.2 802.3,4,5 RLI 2011 44 Types de LAN IEEE Quelques exemples 802.3 : CSMA/CD «ethernet» nombreux débits et supports 802.4 : Token Bus - Bus à jeton 802.5 : Token Ring - Anneau à jeton plusieurs débits et supports 802.11 : Wireless «WiFi» plusieurs débits et «supports» 802.15 : Wireless Personal Area Networks «Bluetooth» 802.16 : Broadband Wireless Metropolitan Area Networks «Wimax» RLI 2011 45
IEEE802.3 Protocole CSMA/CD première norme en 1985 basée sur ethernet (Digital/Intel/Xerox), avec quelques différences évolution constante débits/supports norme actuelle > 2600 pages RLI 2011 46 La trame 802.3 IEEE802.3 : trame préambule adresse adresse longueur SFD destination source ou type données FCS tous les champs : nombre entier d octets préambule : synchronisation 7 octets 10101010 (début peut être perdu) SFD : Start of Frame Delimiter 1 octet 10101011 exemple en 10baseT, dépend de la couche physique adresse destination : 6 octets adresse source : 6 octets longueur ou type (ethertype) : 2 octets données : 46 à 1500 octets ( + y compris bourrage éventuel) FCS : Frame Check Sequence : 4 octets code polynomial détecteur X 32 + X 26 + X 23 + X 22 + X 16 + X 12 + X 11 + X 10 + X 8 + X 7 + X 5 + X 4 + X 2 + X 1 + 1 RLI 2011 47 IEEE802.3 : adresses codées sur 6 octets «adresses mac» premier bit (= bit poids faible 1 er octet) 0 : adresse individuelle (= adresse d interface réseau) 1 : adresse de groupe multicast (seulement destination) ex : 01:80:c2:00:00:00 (protocole spanning tree) cas particulier ff:ff:ff:ff:ff:ff broadcast deuxième bit 1 : adresses allouées localement, ou non universelles Ex : adresses multicast 0 : adresses universelles 24 bits fabricant, 24bits #série ex 00:0d:93:c8:91:9c 00:0d:93 = Apple voir http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt adresse Mac non volatile sur la carte RLI 2011 48
IEEE802.3 (2) Longueur de la trame (hors préambule) : garantir L min /D > 2t (car CSMA/CD) choix L min = 64 octets => 2t < 51,2 µs à D = 10Mb/s : limite taille réseau si données < 46 octets : padding Même champ peut coder le type (ethertype) hérité de l ethernet initial ( 802.3) identifie protocole supérieur Ex en hexa : 0800 => IPv4, 0806 => ARP, 86DD => IPv6 http://www.iana.org/assignments/ethernet-numbers valeurs disjointes avec longueurs possibles => cohabitation 2 types de trames même réseau RLI 2011 49 Encapsulation 802.2 + SNAP 802.2 en mode datagramme (le + courant) Entête 802.2 SSAP (1 octet) DSAP (1 o) Commande (1 o) si SSAP = DSAP = 0xAA et Commande = 0x03 transporte couche SNAP Subnetwork Access Protocol : voir RFC 1042 5 octets : 3 octets «autorité», 2 octets «ethertype» pour protocoles internet, autorité = 0 Permet de transporter des protocoles différents Au dessus de 802.3+802.2 Valable aussi pour d autres couches mac RLI 2011 50 Exemples de trames Broadcast ethernet protocole ARP 00:05:85:8a:5c:5d > ff:ff:ff:ff:ff:ff, ethertype ARP (0x0806), length 64: arp Multicast 802.3 + 802.2 Spanning tree Protocol 00:0e:d7:ff:1c:50 > 01:80:c2:00:00:00, 802.3, length 64: LLC, dsap STP (0x42), ssap STP (0x42), cmd 0x03, 802.1d Ethernet : protocole IP unicast 00:0d:93:c8:91:9c > 00:00:5e:00:01:33, ethertype IPv4 (0x0800), length 122: IP 130.79.90.153 > 130.79.200.11 Ethernet protocole IPv6 (et multicast) 00:05:85:82:f8:3e > 33:33:00:00:00:09, ethertype IPv6 (0x86dd), length 1070: fe80::205:8500:282:f83e.521 > ff02::9.521: 802.3 + 802.2 + SNAP + IPX 00:00:74:9d:2c:f4 > ff:ff:ff:ff:ff:ff, 802.3, length 64: LLC, dsap SNAP (0xaa), ssap SNAP (0xaa), cmd 0x03, (NOV-ETHII) 00000000.00:00:74:9d:2c:f4.4100 > 00000000.ff:ff:ff:ff:ff:ff.0452:ipx-sap-nearest-req 0004 RLI 2011 51
Algorithme récepteur Interface ethernet peut accepter plusieurs adresses adresse de la carte (par défaut ou modifiée par ifconfig), adresse broadcast + liste adresses multicast (si configurées) Récepteur ethernet vérifie trame valide longueur multiple 8 bits, checksum correct longueur 64 octets (sinon fragment collision) et 1518 => sinon ignorée si oui et si adresse destination non acceptée => trame ignorée (sauf mode promiscuous) si trame valide et adresse destination acceptée => trame fournie au «bon» protocole supérieur (d après champ ethertype ou SNAP) RLI 2011 52 Ethernet : couches physiques Différentes instances débit/support/codage Pour chaque instance codage (ex : 10 Mb/s : codage Manchester) limitations sur le dimensionnement types et longueurs de câbles équipement intermédiaires (répéteurs) limitations globales (CSMA/CD ) Répéteur (hub) équipement interconnectant 2 ou plusieurs câbles répétant le signal de chaque entrée vers toutes les sorties (~ampli) permet augmentation distances et nombre stations ne filtre pas : pas de limitation des collisions câbles + répéteurs = 1 seul domaine de collision RLI 2011 53 Exemple ethernet 10 Mb/s L/D > 2t => 2t < 51,2 µs (= SlotTime) on doit limiter la taille du réseau Ordres de grandeur traversée d un répéteur ~2,2 µs propagation 500 m coaxial ~2,2 µs 5 segments de câble reliés par 4 répéteurs ~ 51 µs aller retour (< 512 bits) limite de 4 répéteurs «en série» Note : possibilité d un + grand nombre de répéteurs S ils ne sont pas en série (arbre) RLI 2011 54
Evolution ethernet Initialement 10Mb/s bande de base (half-duplex : CSMA/CD) 10base5 sur coaxial «épais» (segments 500m max) 10base2 sur coaxial fin (segments de 185m max) répéteurs coûteux, 2 ports + liens inter-répéteurs fibre 10 base FL fibre optique ( 2km en PàP, half ou full duplex) Apparition du 10baseT segments de 100m max sur 2 paires torsadées Point à Point half ou full duplex (si pas de répéteur) répéteurs avec nombreux ports (8, 16, ) câblage systématique en étoile répéteurs, câblage moins coûteux => expansion des LAN RLI 2011 55 Evolution ethernet (2) Apparition du 100Mb/s «fast ethernet» nécessité de diviser le délai max par 10 100baseTX jusqu à 100m sur 2 paires torsadées cat5 100baseFX en fibre multimode jusqu à 412m en half duplex (2km en FD) possibilité Full-Duplex possibilité auto-négociation (10 ou 100, Full ou Half) Maximum 2 répéteurs classe II ou 1 répéteur «lent» classe I => réseau de petit diamètre (205m max en cuivre) Généralisation des ponts/switchs/commutateurs ethernet permettre de diviser le domaine de collision interconnecter des débits différents RLI 2011 56 Evolution ethernet (3) Apparition du 1000Mb/s «gigabit ethernet» impossibilité de diviser encore le délai max par 10 trames agrégées en burst si possible sinon suivies de bourrage => 4096 bits minimum +> délai max conservé, mais pertes d efficacité si petites trames 1000baseTX (segment cuivre 100m) 1000baseLX ou SX (fibre) En pratique surtout des switchs (plus de CSMA/CD) Apparition du 10Gb/s plus de half duplex (donc ni répéteur ni CSMA/CD) liens point-à-point entre machines ou switchs En cours : ethernet 100G RLI 2011 57
RJ45 Prise RJ45 4 paires torsadées 2 paires utilisées par 10baseT, 100baseTX, 4 paires pour 1000base-T Câble droit entre machine et hub ou pont Câble croisé entre 2 machines (paire émission sur paire réception) RLI 2011 58 Ex : câble 4 paires torsadées Source : wikipedia, photo Christophe Jacquet RLI 2011 59 PC câblage systématique prise bureau local câblage Câblage fixe Hub, switch, routeur rocade RLI 2011 60