Cours 3 : La relation couche Physique et couche Liaison

Interconnexion et gestion des réseaux
Cours 3 :
La relation couche Physique et couche Liaison
DESCAMPS – RE53 – P2008
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
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Réseau Local ?
1. 2. 3. 4. 5. Un câblage reliant les différents noeuds suivant une certaine topologie
Une méthode d'accès au support pour assurer son partage
Une méthode d'adressage pour identifier chaque entité du réseau
Un ensemble de protocole pour permettre la communication
Des applications qui utilisent les protocoles de communication
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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
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Comité IEEE 802.x
802.1 : architecture générale des réseaux locaux, format
d'adressage, techniques d'interconnexion et d'administration
802.2 : 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)
802.3 à 802.6 et 802.11 à 802.14 : spécifications des différentes
méthodes d'accès
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Architecture Protocolaire
Les Couches OSI et normalisation IEEE 802.3
Définition des couches Physique et Liaison
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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, 802.11, …)
• 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 802.3 et ISO 8802.3
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L'adressage MAC IEEE 802.1 (1)
Numéro de vendeur attribué par l'IEEE (RFC 1340)
• ex: Cisco (00-00-0C), Sun (08-00-20), 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)
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L'adressage MAC IEEE 802.1 (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 03-00-00-00-00-00 signifie I/G=1 et U/L=1
utilisé par Token Ring
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L'adressage MAC IEEE 802.1 (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 01-00-5E-00-00-00 à
01-00-5E-7F-FF-FF (RFC 1112)
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L'adressage MAC IEEE 802.1 (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
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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
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Format des trames
Trame IEEE 802.3
Trame Ethernet
Préambule : 7 fois 10101010 pour la synchronisation bit
SFD (Start Frame Delimitor) : 10101011 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
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L'adressage MAC IEEE 802.1 (5)
Le champ Lg / Type et compatibilité :
802.3 : 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
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L'adressage MAC IEEE 802.1 (5)
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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
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Sous Couche LLC : Logical Link Control 802.2
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 erreur.
@ logiques
Infos de séquencement
Contrôle de flux
Données
Paquet
DSAP
Sous Couche
LLC
Sous Couche
MAC
LLC
MAC
SSAP
LPDU
Paquet
LPDU
MAC
Trame
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Adresses LLC : 802.2
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
SAP décimal SAP binaire
Désignation
Hexadécimal
00
0
0000 0000
SAP nul
02
2
0000 0010
Gestion de la
couche LLC
06
6
0000 0110
Ip
66
0100 0010
Spanning Tree
7E
126
0111 1110
X25 3
AA
170
1010 1010
SNAP
E0
224
1110 0000
IPX
F0
225
1111 0000
Net Beui
42
B
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LLC : 802.2
Identifie le type de trame
B
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LLC : 802.2
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
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LLC : 802.2
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.
B
• LLC type 3
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
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La sous couche SNAP : Structure
Format des trames :
– – Une entête de trame SNAP
fait 5 octets
Une entête de trame LLC fait
3 octets
0
1
OUI
1
0
0
Code du
protocole
8 octets
1
1
0
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.
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Interconnexion et gestion des réseaux
La détection de collision :
le CSMA /CD
Accès multiple avec écoute de la porteuse
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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
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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
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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
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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
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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.
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Gestion du bus logique
Collisions et Brouillage
B
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Mac 802.3
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’Origine, @ 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
B
 Sinon elle attend que Carrier
Sense = Faux
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Mac 802.3
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 l’@ du destinataire
 Si @ 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 champs @ d’Origine, @ de
Destination, tailles, données
 Calcule le FCS et indique une erreur à la couche LLC si
B
 FCS incorrect
 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)
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Mac 802.3 : 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
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Mac 802.3 : 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
B
troisième, les délais d ’attente
des autres stations continuant à
augmenter
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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
T(e) < RTT
Pour minimiser le temps pendant lequel une collision peut se produire,
on impose le temps maxi de propagation aller retour à 51,2
microsecondes
B
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
– le nombre de répéteurs traversés par un trame
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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 802.3 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
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Points de repère
Délai inter-trame de 96 temps bits
– 9.600 ms pour un réseau à 10 Mbps
– 0.960 ms pour un réseau à 100 Mbps
– 0.096 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
B
– 1023 * slot-time = 0.052 secondes
pour les réseaux à 10 Mbps
– 1023 * slot-time = 0.0052 secondes pour les réseaux à 100 Mbps
– 1023 * slot-time = 0.0042 secondes pour les réseaux à 1 Gbps
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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 autreB paire torsadée ou fibre optique
– Nouveau mode de communication possible entre nœuds
– Mode de communication « full-duplex » sans collisions possibles
– Possible uniquement entre nœuds qui ne sont pas des répéteurs (stations,
ponts, switchs, routeurs)
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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’ 00-80-C2 »
Permet à l’ IEEE de définir des adresses « multicast » commençant par
« X’01-80-C2 »
Exemple :
– X’01-80-C2-00-00-00  permet d’atteindre un pont supportant l’algorithme du
spanning-tree
B
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Comité IEEE 802.3
Résumé :
Les différentes variantes utilisent :
– – – – 802.3 CSMA /CD
Half Duplex
Bande base
Code Manchester
Elles diffèrent par
– Le type de support
– Le type de topologie
– Le débit
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