Couche 2 La couche liaison dans les réseaux locaux y …homepages.laas.fr/berthou/UPS/M1ISME/Communication/IEEE802_light.… · yAppelés LAN (Local Area Network) ou RLE (Réseau

Couche 2La couche liaison

dans les réseaux locaux

Pascal Berthou

[email protected]

22002-2003

Plan du coursPlan du cours

Couche 2 : Liaison de donnéesCouche Liaison de données - cas généralCas des réseaux locaux

Couche 3 : RéseauCouche 4 : Transport

Les Réseaux Locaux Industriels

Les Réseaux sans fil

32002-2003

Mode de fonctionnementMode de fonctionnement

Les réseaux peuvent être subdivisés en:réseaux point à pointréseaux à diffusion

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.

Distance limité a quelques centaines de mètres :Appelés LAN (Local Area Network) ou RLE (Réseau Local d’Entreprise)

42002-2003

IntroductionIntroduction

Utilisation d'un média partagécomment gérer l'accès concurrent ?

ex: une conférence

nécessité de protocole d'accès au médium

Pour ce faire les réseaux locaux divisent la couche liaison en 2 :sous-couche supérieure :

pour le contrôle de liaison logiquesous-couche inférieure :

fonctions nouvelles dont gestion de l’accès au supportFortement dépendant de la couche Physique : débit, topologie

52002-2003

IntroductionIntroduction

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.

Projet 802Appelé 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)

62002-2003

IEEE 802.1 : Interworking

IEEE 802.2 : LLC

MAC802.3 CSMA/CD (Ethernet)802.4 Token Bus802.5 Token Ring802.6 Metropolitan Area Network802.7 Broadband Technical Advisory Group802.8 Fiber Optic Technical Advisory Group802.9 Integrated Voice and Data Networks802.11? Wireless LAN « Wi-Fi » (plusieurs normes, ?={a,b,g})802.15 Wireless PAN « BlueTooth »

Architecture des réseaux locaux IEEE802.xArchitecture des réseaux locaux IEEE802.x

802.2

802.3 802.4 802.5 802.11 802.15…

La sous-couche LLCLogical Link Control

82002-2003

SousSous--couche LLCcouche LLC

Défini dans 802.2Convient à tous types de MAC 802.x

(802.3, 802.5, FDDI, 802.12, 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 » réseauConsidéré comme le point d’accès au service LLC ( LLC Service Access Points (LSAP))

92002-2003

Exemple de dExemple de d ’architecture : Ethernet’architecture : Ethernet

102002-2003

Définition de service LLCDéfinition de service LLC

MSAP

LSAP

LLC entity

NETWORK

MA-SAP

LSAP

LLC entity

NETWORK

LLC Protocol

LPDU

LLC

LLC+MA-SDUheader

MA-PDU

MACMAC

LLC+LSDUheader

LLC

LLPDU

MA-SDU

Service primitives

112002-2003

Type de sousType de sous--couche LLCcouche LLC

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

122002-2003

Format de la trame LLC (LLC PDU)Format de la trame LLC (LLC PDU)

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)

132002-2003

Types de trame LLC (LLC PDU)Types de trame LLC (LLC PDU)

N(S)/N(R): nos 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/réponsese.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 connexionÉtablissement et libération des connections logiques LLC

142002-2003

LLC type 1LLC type 1

Unacknowledged connectionless service:Utilises des datagrammesFournit un seul type de LLC PDU: unnumberedUtilisé quand les fonctions assurant la qualité de services (par exemple, détection d’erreurs, retransmission, …) sont implémentés dans les couches supérieuresService utilisé par TCP/IP

152002-2003


connection mode service (with ACK):Utilise tous les types de LLC PDUResponsable de la détection d’erreur et des récupération de tramesGrâce 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/réponseLes trames non numérotées sont utilisées lors de l’établissement de la connexion entre 2 entités LLC 2

162002-2003


acknowledged connectionless service:Offre un service d acquittement des données sans connexion. 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.Orienté automatisme

La sous-couche MACMedium Access Control

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Plan Plan -- Couche MACCouche MAC

Problématique de l ’accès au canalAllocation du CanalProtocoles d'Accès

Standards IEEE 802802.3802.4802.5

Interconnexion de LAN

192002-2003

Allocation StatiqueAllocation Statique

N utilisateurs = N canauxmultiplexage classique

Fréquenciel (FDM)Temporel (TDM)

Inefficace pour le trafic de donnéesSi trafic par rafale (burst)

canaux vides la plupart du tempspas de récupération de bande passante

202002-2003

Allocation DynamiqueAllocation Dynamique

N utilisateurs pour 1 canalCaractéristiques clés :

Utilisation d'un canal uniquetoutes les stations sont équivalentes

Gestion des collisionstransmission de plus d'une trame simultanément

Gestion du tempsémission 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

212002-2003



Standards IEEE 802802.3802.4802.5

Ponts

222002-2003

ALOHAALOHA

Université de Hawai (1970) (« Aloha » = « bonjour »)initialement pour réseau radioliberté totale d'émissiondétection de collision par écoute et retransmission différée avec un délai aléatoire si besoinCapacité optimale avec taille de trame égale

Pure ALOHA

Slotted ALOHADoublage de la capacité de transmission en discrétisant le temps :

Taux max = 1/e

232002-2003

CSMACSMA

Carrier Sense Multiple AccessProtocoles à détection de porteuse

CSMA 1-persistentécoute du canal avec attente de libération et émission immédiate(si collision, retransmission différée)

CSMA nonpersistentécoute du canal, si celui-ci est occupé, écoute différée (émission sur une écoute de canal libre)

CSMA p-persistentprobabilité d'émission après une écoute avec attente

242002-2003

ComparaisonComparaison

252002-2003

CSMA/CDCSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectionPrincipe :

Ecoute permanente du médium en vue d ’une détection de collisionPhénomène analogique : Comparaison du bit émis avec celui propagé sur le

médiumAméliorations :

arrêt d'émission immédiat si collisionattente 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).

262002-2003

CSMA/CDCSMA/CD

Organigramme de principe de la technique CSMA/CD

272002-2003

Protocoles sans collisionProtocoles sans collision

Exemple : Basic Bit-Mappériode de contention = N slotsréservation 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

282002-2003



Standards IEEE 802802.3

HistoriqueSupport PhysiqueFormat des tramesPrincipe de la communicationGestion des collisions

802.4802.5


292002-2003

IEEE 802 (ISO 8802)IEEE 802 (ISO 8802)

802.3 / 802.4 / 802.5 Couches PHY et MAC spécifique au 3 types de LAN

302002-2003

802.3 802.3 -- CSMA/CD CSMA/CD -- EthernetEthernet

LAN basé sur 1-persistent CSMA/CD

basé sur 10Mbps EthernetXerox, DEC, IntelIssu 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 boucleCommunication en bande de base

Pas de modulation Simplicité1 baud = 1 bit/s

Transfert par diffusion passiveCirculation autonome des donnéesChaque station reçoit toutes les données

Pas de trames simultanées

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802.3 802.3 -- Câblage (1)Câblage (1)

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 torsadées100m et 1024 machines par segment / topologie en étoile

10Base-F sur fibre optique2000m et 1024 machines par segment / topologie en étoile

100/1000Base-TX sur paires torsadées100m par segment / topologie en étoile

100/1000Base-FX

Fibre mono ou multi-mode / topologie en étoile

322002-2003

802.3 802.3 -- Câblage (2)Câblage (2)

332002-2003

802.3 802.3 -- TopologieTopologie

Généralisable sous forme d'arbrePour relier plusieurs segments : répéteurs

Limitation entre 2 transceiver :2500m maximum4 répéteurs

(a) Topologie linéaire (c) Arborescence (évite chemins multiples)(b) backbone avec répéteurs (d) Ponts (bridges)

342002-2003

802.3 802.3 -- Codage ManchesterCodage Manchester

Pour synchroniser et indiquer la présence d'un signalUtilisé dans tout les codages bande de base 802.3 avec

niveau bas = -0.85vniveau haut = + 0.85v

Le médium peut prendre trois étatsPassage d ’un niveau haut à bas : transmission d ’un 1Passage d ’un niveau bas à haut : transmission d ’un 0niveau 0V, le médium est libre

Nécessité de doubler la bande passante

352002-2003

IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Adressage MACAdressage MAC

Chaque station reçoit toutes les donnéesEmetteur d’une trame ?Destinataire d’une trame ?

Ajout d’un bordereau d’envoiEntête de trameAdresse destinationAdresse source

Notion de trame structurée

Données@ Source@ Destination

Adresses MAC

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IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Reconnaissance des tramesReconnaissance des trames

Comment reconnaître le début de trame ?Présence de signaux transitoiresSynchronisation du récepteur

Nécessité d’un préambuleEnsemble d’octets connus, permet de synchroniser les horloges7 octets = 7 x 10101010

Donnée régulière + Manchester → synchronisation des horloges synchronisation bit 10Mhz pendant 5,6 microsec

Ne transmet pas d’informationperte non gênante

Données@ Source@ DestinationPréambule

372002-2003

IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Le préambule, bisLe préambule, bis

Réception du préambule en cours de routeDéjà commencéDepuis quand ?

Nécessité de marquer la fin du préambuleInsertion d’un « Start Frame Delimitor »

Caractère spécial : 10101011Suit le préambulePrécède les données

Synchronisation caractère/trame

Données@ Source@ DestinationPréambuleSFD

382002-2003

Comment reconnaître la fin de trame ?Marqueur de fin

SONET / SDH

Longueur de trameNorme 802.3

Plus de données ?Selon le code utilisé, pas toujours possibleEthernet = Manchester

Utilisation d ’un silence inter–trames de 9,6 µsNiveau du signal sur le bus = BAS pendant 9,6 µs → fin de trame

IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Reconnaissance des tramesReconnaissance des trames

392002-2003

IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Trame de donnéesTrame de données

Données@ Source@ DestinationPréambule SFD

Norme 802.3


Norme Ethernet

Long

Type

402002-2003

IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Gestion des erreursGestion des erreurs

Apparition de bruit dans le signalRéductible, mais InévitablePossibilité de modification des données

Ajout de redondance avant émissionCode détecteur d’erreurRecalcul à la réceptionDifférence modification données

destruction de la trame endommagée

412002-2003



Norme 802.3


Norme Ethernet

Long

Type

CRC

CRC

422002-2003

Différences 802.3 / EthernetDifférences 802.3 / Ethernet

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 : 0800 protocole IP 0806 protocole ARP 0835 protocole RARP8019 protocole DOMAIN 809B protocole Appletalk

432002-2003

IEEE 802.3 IEEE 802.3 -- Adresses MACAdresses MAC

Norme 802.36 octets

3 octets constructeur3 octets numéro de sérieNotation hexadécimal :

exemple : 8:00:20:06:D4:E8

chaque adresse est UNIQUE au monde1 Adresse de Broadcast

FF:FF:FF:FF:FF:FF

442002-2003



Norme 802.3


Norme Ethernet

Long

Type

CRC

CRC

7 octets 1 6 6 2 4

1526 octets

46-1500

452002-2003

802.3 802.3 –– Principes de communicationPrincipes de communication

Principe de diffusionSens de circulation des octets

premier: premier octet du préambuledernier : 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 minimumespace inter-trames 9.6 µs --> 9.6 µs x 10Mbit/s = 96 bits time (12 octets)

Principe de fonctionnement1. 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.

462002-2003

802.3 802.3 –– Gestion des collisionsGestion des collisions

Comment optimiser la détection des collisions ?Rappel : Basé sur du CSMA/CD

2 T nécessaire au maximum pour détecter la collision

472002-2003


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 µs50 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 tempsla 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, ...

482002-2003


Émetteur :écoute le signal "collision détection" pendant 51.2 µs (64 octets) à partir du début d'émissionS'arrête d'émettre quand il détecte une collision en comparant le signal émis avec le signal reçu par exempleL’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

492002-2003

802.3 802.3 –– Paramètres de baseParamètres de base

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 : 1024.Débit : 10 ou 100 Mbits/s

502002-2003

802.3 & LLC formats de trame802.3 & LLC formats de trame

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’

512002-2003

802.3 802.3 -- Ethernet commutéEthernet 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 commutateurLargeur de bande non partagée: transmission de trames en parallèle

-> diminue les collisions / augmente l ’utilisation du réseau

522002-2003

802.3 802.3 -- Ethernet commutéEthernet commuté

Deux modes de fonctionnement des switchsStore & Forward

Reçoit une trame, vérifie la validité et retransmet50 µs pour une trame de 64 octets

Cut throughLecture de l’adresse puis retransmission20 µs pour une trame de 64 octetsTransmission des trames non valides

Exemple d’architecture

532002-2003

802.3 802.3 -- GigabitGigabit EthernetEthernet

Comment augmenter le débit de transmissionSlot 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 couvertureLa taille minimale de la trame doit être augmentée

512 bytes, couverture 200 m

Problèmes de performanceBourrage → utilisation de 10% de la BPPacket Bursting → Utilisation de 40 %

542002-2003

802.4 802.4 -- TokenToken BusBus

• 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

552002-2003

802.4 et Protocole MAC802.4 et Protocole MAC

• 4 classes de priorité

• Gestion de l'anneau par envoi de trame d'interrogation

• Envoi de ses deux adresses adjacentes et réponse des membre intermédiaires (classement selon les adresses)

• Trame différentes de 802.3 :

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802.5 802.5 -- TokenToken RingRing

• Déterministe (802.3 délai non borné)

• Topologie en anneau (= somme de liaisons point-à-point)

• Circulation du jeton (token) sur l'anneau

• Retrait de la trame transmise (1, 4 et 16 Mbps) par l'émetteur

572002-2003

802.5 et Protocole MAC802.5 et Protocole MAC

Jeton de 3 octetsTemps 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

trame →

jeton →

582002-2003

802 comparaison802 comparaison

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

592002-2003



Standards IEEE 802802.3802.4802.5


602002-2003

Interconnexion de LANInterconnexion 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

612002-2003

Pont 802.x vers 802.y Pont 802.x vers 802.y

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