Architecture réseaux INSIA 2007 – ING3 Partie 2

1. Architecture réseaux INSIA 2007 – ING3 Partie 2

2. SOMMAIRE • 1. Introduction • 2. Ethernet et technologies LAN • 2.1 Méthode d’accès CSMA/CD • 2.2 Etude détaillée d’une communication • 2.3 Limites • 2.4 Erreurs • 2.5 Collisions - Détails • 2.6 Adressage MAC • 2.7 Description de la trame Ethernet

3. 2.8 Historique : 10 Base 2, 10 Base 5, 10 Base T (AUI, BNC, DIX) 2.8.1 Ethernet 10 base 5 (Thick Ethernet)2.8.2 Ethernet câble fin 10 BASE 2 (Thin Ethernet) 2.8.3 Ethernet sur paire torsadée 10 BASE T 2.8.4 Notion de transceivers2.8.5 Ethernet 10 Mb/s sur fibre optique 2.9 Fast Ethernet 2.10 Gigabit Ethernet

4. 2.11 Installation pratique2.12 Mode bridging (tranparent bridging) 2.13 Fonctions avancées 2.14 exploitation : analyseur/générateur (marché), fonction de mirroring de ports, gestion sous SNMP2.15 offre constructeur (cartes et switches)2.16 Réseaux locaux virtuels (VLAN de niveau 2, propriétaire) : 802.1q2.17 Qualité de service : 802.1p2.18 SAN (Storage Area Network) et NAS (Network Attached Storage) 2.19 Dimensionnement

5. 2.20 Les évolutions des technologies LAN et Ethernet2.20.1 Long Reach Ethernet 2.20.2 10 Gigabits 2.20.3 Réseaux sans fil 802.11 b, a et g : offres, bande passante, fréquences, …

6. 3. Token-Ring 3.1Principes 3.2 Méthode d’accès : Token = jeton3.3 Description de la trame 3.4 Gestion des erreurs 3.5 Bridging : source routing champ Routing information field3.6 Câblage3.7 évolutions et limites : fast token-ring HSTR, coûts3.8 constructeur(s)4. FDDI

7. 5. ATM – asynchronous transfert mode 5.1 Les principes5.2 Analyse de la cellule : VPi, VCi, marquage de trames CLP 5.3 Application au LAN : Lan emulation5.4 Qualité de service : UBR, VBR1 et 3, CBR, ABR6. Technologies WAN6.1 ISDN6.2 X25 6.3 Frame Relay6.4 ATM 6.5 XDSL

8. Couche Physique • Définit • Le type de média • Le type de connecteur • Le type de signalisation • Exemples : • Ethernet • 802.3 • EIA/TIA-232 • V35

9. Liaison de données • Définit • L’adressage physique • La topologie du réseau • Le séquencement des trames • Le contrôle de flux • Le protocole de couche supérieure destinataire des trames • Le mode : connecté ou non-connecté

10. Liaison de données • Séparée en deux sous-couches : • LLC • MAC • MAC • Couche directement liée à la couche physique • LLC • Couche directement liée avec la couche Réseau • Définit le mode de fonctionnement nécessaire à la couche supérieure • 3 modes : LLC1, LLC2 et LLC3

12. Couche MAC

13. Couches 802.2 (LLC)

14. Service LLC IEEE 802.2

15. Stack protocolaire 802.2 • Le standard IEEE 802.2 (LLC) Modèle OSI Modèle IEEE 802 Standard IEEE 802 Couche 4 à 7 Couche Réseau 802.1 Internetworking Couche Liaison de Données Logical Link Control 802.2 System Managt CMP SNMP etc.. Media Access Control CSMA/CD Token Bus Token Ring Couche Physique Couche Réseau Couche phys 802.3 Couche phys 802.4 Couche phys 802.5

16. Logical Link Control : Couche IEEE 802.2 • Fonctions du Logical Link Control • Transmission de l'information à la couche supérieure concernée • Garantie de transport, sans erreur de transmission • De façon transparente pour les couches supérieures En-tête MAC Informations FCS MAC C o u c h e LLC

17. Logical Link Control : Couche IEEE 802.2 • Format de la Trame LLC • DSAP : • Destination Service Access Point • SSAP : • Source Service Access Point En-tête MAC DSAP SSAP Contrôle Informations FCS MAC

18. Logical Link Control : Couche IEEE 802.2 • Contrôle de trafic • Deux modes de fonctionnements utilisés • "Stop and Wait" • Méthode peu efficace : une seule trame transmise à la fois • "Sliding Windows" • gestion par crédit de fenêtre

19. Logical Link Control : Couche IEEE 802.2 • Type de services • Type 1 : • Sans acquittement et non orienté à la connexion • Type 2 : • Orienté à la connexion et gestion flux par crédit de fenêtre • Type 3 : • non orienté à la connexion avec acquittement (applications temps réel)

20. Mode fiable vs mode non fiable • En mode fiable : • Une connexion est établie préalablement à toute transmission de données • Des mécanismes de contrôle flux sont souvent utilisés • Coût élevé en bande passante • Il peut y avoir des retransmissions « intelligentes » • En mode non fiable • Les données sont envoyée hors connexion • Les mécanismes de contrôle de flux sont rarement utilisés • Coût faible en bande passante • Retransmissions en bloc

21. Mode connecté versus mode sans connexion • connectionless versus connection-oriented • prédifinition du chemin • contrôles • établissement/libération d’une session

22. LAN: évolutions et état de l’art

23. Le modèle ISO et les couches basses Réseaux LAN .Introduction Définition Réseaux locaux : réseaux au sein d’un bâtiment ou d’un groupe de batiments - campus (LAN par opposition à WAN et au MAN) Distance < 1 km Fonctionnalités offertes : partage de ressources (serveurs, accès Internet, messagerie, données, applications, imprimantes, …), éventuellement en environnement hétérogène (protocoles multiples)

24. Le marché des réseaux locaux • 200 millions de ports commutés en 2004 • CA monde : 18 Milliard de $ (cartes et commutateurs) • CA France : 800 Millions euros • Marché en faible progression (de l’ordre de 10 %) : baisse forte du prix par port, hausse continue du nombre de raccordements, suivi de l’évolution en bande passante

25. - Historique rapide • Ethernet phase 1 dans les années 70 (Xerox) • Ethernet phase 2 10 Mb/s en 1980 (sous l’égide du GIE DIX) • Token-Ring (Ungermann-Bass puis IBM) : première carte 4 Mb/s disponible en 1985 • - Les parts de marché • 1990 - monde : Ethernet 63 % , Token-Ring 23 %, autres 14 % (LocalTalk, Arcnet, FDDI) • En France, présence du token-ring (rôle d’IBM en France, cas des banques) : OS/2, IBM type 1, PS/2 • 2004 : Ethernet(s) 96 %, Token-Ring 2%, autres 2% dont ATM

26. Les constructeurs • Il faut distinguer les cartes et les équipements de concentration/commutation • Token-Ring : Madge (rachat de l’activité Token d’Olicom et après arrêt par IBM) et Cisco pour les commutateurs Catalyst seuls • Ethernet : Cisco et 3COM (positionnements respectifs), Nortel (Bay Networks, Lattisnet, Wellfleet, …), Allied Telesyn, HP, Accton, D-Link, Netgear, … pérennité ?  • - Positionnement des LAN dans le modèle ISO : niveau physique et liaison exclusivement

27. Ethernet • méthode d’accès CSMA/CD • Niveau liaison (couche 2 du modèle ISO) • Note : La couche physique = émission/réception en ligne sur Codage Manchester – à détailler • La méthode d'accès sur Ethernet est appelée CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection ). • C'est une technique de gestion des conflits (contention) • Elle ne donne pas un accès exclusif au canal (comme le polling ou le jeton) mais essaye d'éviter les conflits.

28. *CS : Carrier Sense, capacité à détecter tout trafic sur le canal (Ecouter avant de parler), s'il y a trafic on ne tente pas l'émission, … mais à cause des temps de propagation du signal, deux stations peuvent émettre en même temps c'est ce qu'on appelle une collision. * MA : Multiple Access, chaque station a potentiellement accès au canal lorsqu'elle a besoin d'émettre… mais il faut que le canal soit libre, il n'y a pas d'attente d'attribution comme dans le cas du polling ou du jeton ( pour lesquels, il faut attendre “ l'autorisation ” même si le canal est libre). *CD : Collision Detect, c'est la capacité d'un noeud émetteur à détecter le changement de niveau d'énergie et de l'interpréter comme une collision : Ecouter pendant que l'on parle et arrêter de parler si une autre station parle. Note : il existe un protocole CSMA/CA (collision avoidance), utilisé notamment en 802.11 – cf chapitre wireless qui suit

29. Protocoles couches physique et liaison Couche ISO Protocole 2 IEEE 802.1 : services complémentaires 2 IEEE 802.2 LLC Logical Link Control : interface avec les couches supérieures (unique pour les différents niveaux MAC) 2 IEEE 802.3 MAC Medium Access Control 1 Physique

30. Contrôle d’accès au canal • Sur un réseau local, des ordinateurs partagent le même canal de communication. • Contrôle d ’accès au canal : méthode utilisée pour accorder à une station le droit d’émettre. • Couche MAC (Medium Access Control) : Sous couche de la couche liaison de données dans laquelle sont définis les mécanismes d’accès au canal, spécifiée par l’IEEE.

31. Techniques de contrôle d’accès au canal • Ethernet (IEEE 802.3) • Anneau à jeton (IEEE 802.5) • Bus à jeton (IEEE 802.4) • FDDI

32. 802.3 Le protocole CSMA/CD • Carrier Sense : Les stations écoutent les signaux sur le câble pour  s’assurer que le canal est libre avant d’émettre • Multiple Access : Plusieurs stations ont accès au support. • with Collision Detection : • Collision: Perturbation du signal du au fait que plusieurs stations émettent simultanément. • Détection: La station qui émet, écoute sur le câble et vérifie que le signal correspond bien à celui qu’elle émet.

33. Acquisition /Ajournement • 1-persistant : Pour émettre, une station écoute sur le canal. Si le canal est occupé, elle attend que le canal se libère. Lorsqu’il y a collision, la station attend un temps aléatoire avant de réémettre. • non-persistant : Lorsque le canal est occupé, la station attend un temps aléatoire avant de réécouter pour savoir si le canal est libre. • p-persistant : La station émet avec une probabilité p si le canal est libre. Elle attend l’intervalle de temps suivant avec une probabilité 1-p. Si le canal est libre, elle émet avec une probabilité p et attend avec une probabilité 1-p et ainsi de suite jusqu’à ce que la trame soit émise.

34. Réémission en cas de collision • Réémission non adaptative : La station retarde sa prochaine tentative pendant une durée aléatoire tirée d’une distribution constante dans le temps. • Réémisison adaptative : La loi des délais est variable afin d ’adapter la fréquence de réémission à la charge. • Ralentissement exponentiel : La moyenne de la loi est fixée lors de la première réémission. Elle double à chaque conflit. • Ralentissement géométrique : moyenne fonction linéaire du nombre de conflits. • Réémission persistante : Exécution de l’algorithme d ’acquisition/ajournement.

35. Ethernet • CSMA-CD 1-persistant avec ralentissement exponentiel • Développé dans les années 70 par Xerox. • Utilise un codage Manchester différentiel dans la couche physique.

36. Ethernet : émission • 0. Remise du nombre de collisions à zéro. • 1. Si le support est libre 3 sinon 2. • 2. Ecouter jusqu’à ce que le canal se libère. • 3.Transmettre la trame et écouter le canal. Si une collision est détectée pendant la transmission, arrêter la transmission, diffuser une trame de signal de collision (4 octet destinés à renforcer la collision) puis 4, sinon 0. • 4. Incrémenter le compteur de collision. Dérouler l’algorithme de ralentissement exponentiel puis 1.

37. Ralentissement exponentiel (Binary Exponential Backoff) • En cas de collision, on attend M.Slot time où M est un entier tiré aléatoirement. • k est le nombre de collisions • On arrête après 16 collisions.

38. Transmission d'une trame : La couche MAC reçoit de la couche LLC des données à émettre; son rôle consiste à: • ajouter préambule et SFD aux données de la couche LLC, • ajouter le padding si nécessaire, • ajouter les champs adresse source, adresse destinataire, longueur/type des données, • calculer le CRC et l'ajouter à la trame, • si le signal "Carrier Sense" est faux depuis au moins 9.6µs (espace inter-trame à respecter), transmettre la trame bit à bit à la couche physique, • sinon attendre que le signal "Carrier Sense" soit faux, attendre 9.6 µs et transmettre bit à bit à la couche physique.

39. Réception d'une trame :La couche MAC effectue: • écoute du signal "Carrier Sense", • réception des bits depuis la couche physique, • élimine le préambule, le délimiteur de début de trame (SFD), • élimine éventuellement le padding, • examine l'adresse destination dans la trame et si celle-ci inclut la station : • calcule la séquence de contrôle et indique une erreur: • si la séquence est erronée, • si la trame n'est pas un nombre entier d'octet (alignment error), • si la trame > 1526 octets (préambule/SFD compris) • si la trame < 64 octets (trame victime de collision). • Si OK, transmet les champs à la couche LLC,

40. La sous-couche LLC • normalisée IEEE 802.2 • commune aux normes IEEE 802.3, 802.4 (token bus), 802.5 (token ring). • Interface LLC / MAC = service sans connexion • requête d'émission de données (LLC vers MAC), • primitive d'indication de données (MAC vers LLC), • primitive de confirmation d'émission de données (MAC vers LLC).

41. Etude détaillée d’une communication • L'émission d'un paquet est déclenchée par une demande des couches supérieures d'un noeud. Le noeud passe les données, adresse destination, le format des données (type de protocole) à la couche liaison. • La couche liaison place les informations dans les champs correspondants et ajoute le FCS (Frame Check Sequence error). • Avant d'émettre, la couche liaison essaye d'éviter les conflits en gérant le signal "détection de porteuse" fourni par la couche physique. • Quand le canal est libre, la couche liaison passe le paquet à émettre à la couche physique sous forme d'une série de bits (flot). • La trame est précédée d’un préambule codé qui permet aux noeuds récepteurs de synchroniser leur horloge, ensuite la couche physique commence à traduire les bits du paquet en code Manchester et génère les signaux électriques sur le câble coaxial.

42. La couche physique d'un noeud en cours d'émission, gère le canal pendant toute la durée de l'émission. En d'autres termes, elle gère le niveau d'énergie (niveau du signal électrique). La couche physique connaît la valeur du niveau d'énergie pendant une émission sans conflit. S'il y a conflit (plusieurs émissions simultanées) il y a alors plus d'énergie sur le canal et la couche physique fait monter le signal "collision détectée". Important : Ce signal ne peut être détecté que par un noeud en cours d'émission. Quand l'émission sans conflit est terminée, la couche liaison prévient les couches supérieures et attend de nouvelles demandes d'émissions

43. Réception sans conflit Quand un noeud est en cours d'émission, les couches physiques des autres noeuds détectent sa porteuse, et avertissent leur couche liaison pour qu'il n'y ait pas de tentative d'émission. A cet instant tous les autres noeuds du réseau sont récepteurs. Les couches physiques des noeuds récepteurs se synchronisent sur le préambule, reçoivent les signaux en code Manchester et les traduisent en binaire en éliminant le préambule. Le flot de bits est passé à la couche liaison (sur chaque noeud) qui avait été avertie de l'arrivée par le signal "détection de porteuse". La disparition du signal détection de porteuse indique la fin du paquet. (Il est donc inutile de transmettre la longueur du paquet).

44. Important : la couche liaison observe l'adresse destination "au vol" pour savoir si le paquet est destiné à ce noeud, si c'est le cas, elle teste la validité et passe le paquet aux couches supérieures, si ce n'est pas le cas, l'envoi du flot de bits à la couche liaison est arrêté après le préambule et adresse destination et le paquet n'est pas accepté. Cela se passe au niveau du matériel (adaptateur Ethernet), le logiciel correspondant aux couches supérieures n'est pas "pollué" par des paquets qui ne sont pas destinés à ce noeud, ou les paquets erronés...

45. Principe général d’une collision - Résolution des conflits Il peut arriver que deux ou plusieurs noeuds s'aperçoivent que le canal est libre et commencent à émettre à peu près en même temps, leurs émissions se superposent et interfèrent, c'est que l'on appelle une collision. Un noeud peut détecter une collision pendant sa fenêtre de collision (collision window) - intervalle de temps avant que le signal puisse aller d'un bout à l'autre du réseau et revenir [tranche canal (Slot Time)]. Temps maximum de détection : temps d’un aller-retour entre 2 nœuds les plus éloignés.Il y a donc un compromis entre la taille maximale d’une trame et donc son temps d’émission et la longueur maximale du réseau.. La durée d’émission d’une trame de taille minimale doit être supérieure à la durée d’un aller retour sur le réseau.

46. Une fois que la fenêtre de collision est passée, le noeud est réputé avoir "acquis le canal" car à ce moment-là, tous les noeuds fonctionnant correctement devraient avoir détecté la porteuse et différé leur émission. La taille minimale du paquet Ethernet de 64 octets pour une raison bien définie : le slot time est plus grand que le temps nécessaire à émettre 64 octets à 10 Mb/s sur un réseau Ethernet de taille maximum (2,8 Km entre les deux noeuds les plus éloignés).

47. Soit un noeud A et un noeud B aux extrémités d'une configuration de taille maximale (2,8 km). Le noeud A envoie un paquet. Juste avant que ce paquet n'arrive au noeud B, le noeud B commence à émettre son propre paquet puisqu'il n'a pas encore détecté le paquet du noeud A. La taille mini de 64 octets est spécifiée pour que le signal de collision détecté au noeud B ait le temps d'atteindre le noeud A pendant que celui-ci est encore d'émettre le même paquet ; c'est la seule façon que le noeud A a pour associer le signal de collision au paquet qu'il a émis (niveau d’énergie spécial du à la superposition). Si le noeud A avait reçu le signal de collision après qu'il ait fini d'émettre, il n'aurait pas pu associer la collision avec son émission car les noeuds ne reconnaissent la collision que lorsqu'ils sont en cours d'émission (Energie). Par conséquent il n'aurait pas réémis le paquet, celui-ci n'aurait pu être réémis qu'à la suite d'une demande des couches supérieures (perte de temps).

48. Ethernet est conçu pour délivrer les paquets avec le moindre effort en éliminant les besoins de complication des couches supérieures. • Quand une collision se produit pendant l'émission, la couche physique du noeud émetteur envoie le signal de détection de collision à la couche liaison qui initialise la procédure de gestion des collisions: • - Le paquet en cours d'émission est prolongé pendant un bref instant par l'émission d'un brouillage (JAM) de 32 bits pour s'assurer que tous les autres noeuds émetteurs concernés par cette collision la détectent bien.

49. La couche liaison arrête l'émission et programme une tentative de réémission : le noeud attend un multiple entier du slot time avant de réémettre. Le multiple est tiré aléatoirement dans chaque noeud concerné par la collision. Si une autre collision se produit, le noeud augmente le temps d'attente ,par un facteur 2, à partir du nombre aléatoire tiré à la 1ère collision, jusqu'à la dixième tentative ensuite le temps n'est pas augmenté. • On s'arrête en général à 16 tentatives, au delà on déclare le canal hors service ou saturé. La trame est perdue, on n'avertit pas les couches supérieures (ce sont elles qui doivent s'en apercevoir ....)

50. Sur tous les noeuds récepteurs les bits d'une collision sont décodés par la couche physique comme s'ils appartenaient à un paquet valide (car le signal de détection de collision n'est pas reconnu par les noeuds récepteurs). La couche liaison fait la différence entre les paquets incomplets résultants d'une collision et les paquets valides grâce à la taille du paquet : un fragment est toujours plus petit que la taille mini du paquet Ethernet (64 octets). Les paquets fragmentés ne sont pas acceptés par la couche liaison. Exercice (trivial) : vitesse de propagation du signal = 0,77c, taille minimale de la trame = 64 octets. Quelle est la longueur théorique maximale d’un cable Ethernet 10 Mb/s coaxiale ? Pourquoi n’est-ce que théorique (dans la pratique 2,8 kms) ?