Le niveau MAC : le jeton sur anneau (Token Ring)

Introduction

Le but est de régler les conflits qui se produiraient si on laissait tous les abonnés accéder en même temps

Principe

Cette technique est utilisée dans anneau physique :

• Le chemin suivi par le jeton est un anneau physique
• Une station est reliée à une autre par une voie point à point monodirectionnelle

Cette technique est connue sous le nom de TOKEN RING

Elle est retenue à l’origine par IBM, le réseau est en fait étoilé ( par concentrateurs MAU ou  Médium Access Unit ).

Le réseau est doté d'un noeud central assurant :

• La surveillance des  stations  (présence ou absence)
• La fermeture  auto du circuit si absence constatée (continuité)
• La détection message ayant + 1 tour
• La régénération du jeton

Standardisé initialement par IBM, Token Ring a été normalisé par l’IEEE : Norme IEEE 802.5

Ce tableau présente les quelques caractéristiques principales à prendre en compte.

Voir normes physique

Mécanismes du 802.5

Une station a le jeton

• Elle émet vers successeur

Si le successeur est destinataire = prise de copie

• Le successeur transmet a son suivant et ainsi de suite
• La station origine lit son message (1 tour a été réalisé)

Elle retire celui ci de la propagation
Elle passe le jeton

Des priorités peuvent être affectées aux stations

Si peu de priorité : une stations ne pourra émettre que tous les "n" passage du jeton
Le jeton comporte donc une indication de priorité

Principes :

• Si la stations a la priorité correcte:

Elle émet
Sinon elle passe le jeton

• Si le message est urgent

La station relaie la priorité qu'elle désire, place la valeur au dessus de la priorité courante, le prochain jeton aura cette priorité.

Autres caractéristiques :

• Toutes les trames portent le jeton
• L'anneau est actif en permanence
• Il n’y a pas de silence inter message
• En absence de trames: des signaux sont produits en permanence. Il n'y a pas de préambule, cette émission continue joue le rôle d'amortisseur

Format des trames 802.5

Descriptif des champs de la trame

• SD       Starting Delimitor

Il permet la reconnaissance du début de Trame (Cche Physique)
Des codes JK sont utilisés ( voir Manchester) soit: 2 temps bit sans transit.

• AC      Access Control

gestion du jeton
gestion des priorités

• FC       Frame Control

Il définit le type de trame : les deux 1er bits caractérisent une trame de contrôle (trame MAC) ou bien une trame LLC (données)

- S’il s’agit d’une Trame . LLC :

3 bits   sont nuls
3 bits   PPP caractérisent les  priorités

- S’il s’agit d’une Trame. MAC:

Les bits servent à coder les fonctions anneau

• DA      Adresses du destinataire
• SA       Adresses source
• FCS    Frame Checking Sequence : Contrôle d’intégrité
• ED       End Delimitor :  permet à la couche PHY de reconnaître la fin d'une trame

comporte des codes non data : JK

bit I = trame suivie --> par trame de source identique
bit E = 1, si erreur CRC détectée
1 = élément binaire 1

• FS       Frame Status : il comporte 2 quadruplets ; un récepteur peut positionner:

A=1 si la station reconnaît son adresse
C permet signaler une copie correcte de la trame par le destinataire
Les deux derniers sont non utilisés

• Nota : Un émetteur  peut arrêter son Emission par une séquence d'abandon:

2 octets SD-ED ... Start et End Delimitors      

Champ d'information de routage (RI - Routing Information) Absent des spécifications de 1985 Objectif Permettre le routage de la trame par la station source, notamment lorsque la trame est appelée à traverser une succession de ponts.

Longueur de l'information de routage

Sa longueur est variable ( comprise entre 2 et 30 octets), Cinq des bits du premier octet permettent de la représenter.

	Détail du champ AC Access Control bit T=Token. le bit M est mis à 0  par l'émetteur le bit M est passé de 0-->1 par le moniteur, la Trame sera mise au rebut dès qu'il la reverra. bits P = priorité en cours bits R = réservation de priorité P=R lors de la régénération
	Détail du champ FC  Frame Control Il définit le type de trame : Les deux 1er bits signalent  trame contrôle (MAC) ou une trame LLC (data). Si Trame . LLC : 3 bits sont nuls et 3 bits désignent la priorité PPP Si Trame. MAC: Les bits servent à coder les fonctions de l'anneau.

Caractéristiques des adresses

Boucle :anneau à jeton IBM Le champ des 48 bits ou 16 bits a été décomposé: -  Les deux 1er octets si adresse longue -  Le 1er octet si adresse courte Désignation de l'anneau -  les 1er bits conservent leur signification.

Décomposition d’une adresse longue :

14 bits :   N° anneau ;

• si des 0 dans le champ la diffusion est restreinte à anneau local

• si des 1 dans le champ champ la diffusion est permise dans tous les anneaux.

32 bits = Adresse station

Une notion d'adresse fonctionnelle peut être ajoutée dans la partie adresse station

• 1er bit=1..... adresse normale 

• 1er bit=0 .....adresse fonctionnelle

Désignation en hexa différentes adresses fonctionnelles :

01   Moniteur Actif
02   Serveur de paramètres réseau
08   Moniteur de surveillance des erreurs
10   serveur de rapport de configuration
256 Pont

Gestion des priorités et du Jeton 802.5

Principe                                   

Une trame passe Jeton libre, une station la capture
Entre la capture et l'émission une durée > temps bit s'écoule, la station maintient son émission.

Complication par mécanisme de Priorité

Le champ de réservation "Priority Réservation":PR

Une Station qui désire un jeton de Priorité = AP tente de positionner le champ PR
Si AP > PR  elle se positionne sinon elle abandonne.

Sachant que PI est la priorité indiquée trois cas peuvent se présenter :

Cas 1 :  jeton libre ,  si PI <=  AP la station capture le jeton, dès transmission de sa trame le jeton aura priorité = AP ; PI sera mémorisé

Cas 2 : jeton libre ou non  si PI >= AP, la station passe le jeton

Cas 3 : jeton libre ou non si PR < AP alors on fait PR = AP, on indique ainsi la priorité souhaitée pour le prochain jeton.

Corollaire

La station qui a le jeton libère celui ci  si  AP de sa prochaine Trame  <  PI courant
Pour Mémoire : PI= AP  de la Trame émise avant. La PI retransmise sera = à la valeur maxi:
soit  de la PR reçue, soit  de la PI  avant capture (mémorisée).

Scénario 

Notation:  PI (priorité indiquée)/ jeton / PR (priorité de réservation).

pour mémoire : jeton libre=0 jeton occupe=1

Début : - Arrivée en A d'un jeton libre 0/0/0 - A transmet son message. - Arrivée en  B  jeton  occupé 0/1/0 - B passe avec PR = 4 inscrit, - Arrivée en C, - C passe  avec PR = 6 inscrit, - A  retire son jeton , en génère un avec      PI=6, mémorise la PI, - Arrivée en B qui ne peut l'utiliser, mais remet la PR = 4 - C prend le jeton et commence à émettre,  A  passe,  B passe. - Fin des transmissions de C, il libère jeton avec PI = 6 la PR de B est conservée. - A voit jeton  dont  PI =6 = PI mémo, il fait le mise à jour PI = PR soit  PI = 4, la  PI sera égale au maximum constaté entre l’ancienne priorité = 0 et la PR = 4. - Il génère 1 jeton=0 avec PR=0 et passe. - La trame arrive à B qui la voit , la capture et émet.....un tour complet est fait. - B libère dès transmissions un jeton de priorité  PI=4. - A voit la priorité qu'il avait  émise  la retire et régénère un jeton PI= 0.

Nota : Seule une station qui a Monté le jeton en PRIORITE est habilitée à le Descendre

But : Permettre à une priorité donnée de faire un tour complet, si la station capable de descendre la priorité est absente un mécanisme de purge de valeur est prévu.

Temporisateurs en 802.5

TRR (Timer Return to Repeat)

Pour s'assurer que la station peut retourner à l'état de répétition
Est supérieur au temps de latence maximum (délai de propagation sur l'anneau + temps de latence de chaque station), par défaut = 4 ms

THT (Timer Holding Token)

Pour contrôler le temps de transmission maximal de la station détenant le jeton
condition : la durée des trames prévues à transmettre doit être < THT, par défaut = 8,9 ms

TQP (Timer Queue PDU)

Détermine le délai avant envoi d'une trame SMP après réception d'une trame AMP ou SMP
Par défaut = 20 ms

TVX (Timer Valid Transmission)

Utilisé par le moniteur actif pour détecter l'absence de transmission valide
Par défaut = 10 ms

TNT (Timer No Token)

Utilisé pour détecter la perte du jeton
Par défaut = 2,6 s

TAM (Timer Active Monitor)

Utilisé par le moniteur actif pour déterminer la période d'envoi d'une trame AMP
Par défaut = 7s

TSM (Timer Standby Moniteur)

Utilisé par les moniteurs en veille pour vérifier la présence d'un moniteur actif et détecter si un jeton circule en continu. Par défaut = 15s

TER (Timer Error Repeat)

sert à reporter les valeurs des compteurs d'erreurs dans les trames Report Error transmises au serveur d'erreurs. Par défaut = 2s

TBT (Timer Beacon Transmit)

Définit le temps pendant lequel une station émet des trames Beacon avant de passer en état By-Pass. Par défaut = 16s.

TBR (Timer Beacon Receive)

Définit le temps pendant lequel une station peut recevoir des trames Beacon de son voisin  aval avant de passer en état By-Pass. Par défaut = 160ms

Drapeaux en 802.5

I-FLAG

positionné sur réception d'un champ ED avec le bit I mis à 0.

SFS-FLAG

positionné sur réception d'une séquence SFS (Start of Frame Sequence SD+AC).

MA-FLAG

positionné sur réception d'un champ SA égal à l'adresse de la station.

SMP-FLAG

positionné par les moniteurs en veille sur réception d'une trame SMP ou AMP avec les bits A et C à 0 (process de notification complet).

NN-FLAG

positionné par le moniteur actif sur réception d'une trame SMP ou AMP avec les bits A et C à 0 (process de notification complet).

BR-FLAG

positionné sur réception d'une trame Beacon et remis à zéro sur réception de toute autre trame.

Circulation du Jeton en 16 Mbps Dans ce cas l’émetteur n’attend pas de revoir sa tête de message pour libérer le jeton. Celui-ci est libéré par la station 1 dès la fin de son envoi, une seconde station pourra alors le capturer et transmettre à son tour.

Automate de transmission

Trois automates existent : Automate de fonctionnement (operational machine) Automate du moniteur en veille (standby monitor machine) Automate du moniteur actif (active monitor machine)

Les états

• Etat 0 Répétition

Pas de trame à transmettre (répétition des bits  entrants), si réception d'une requête de transmission d'une trame de données ou d'une trame SMT, elle cherche à détecter le jeton.. Sur réception du jeton elle arme THT et passe à état 1

• Etat 1 Transmission de trames

La station émet toutes les trames de priorité égales ou supérieures à celles du jeton,

elle cesse à la fin des PDU prévues ou si THT expiré, elle émet ensuite une séquence de fin de trame ED/FS et passe à 2.

Après détection du jeton (T=0), la station peut détecter des situations d'erreurs: ED absent, Trame de reset d'anneau. Si anomalie elle retourne à l’état 0

• Etat 2  Attente de retour de trames

La station attend le retour de sa propre trame.

Si réception SA = son adresse, le jeton est réémis et la station passe en état 3

Si le TRR expire sans retour de trame portant son adresse

                    le compteur de trame perdues est incrémenté

                    la station retourne en 0

• Etat 3  Retrait de trames

la station retire les trames qu'elle avait émises jusqu'à bit I=0 (dernière) et retourne à l’état 0. Si la dernière trame n'est pas reçue, elle s'arrête lorsque le TRR expire et retourne à l’état 0.

• Réception de trames par la station

Répétition et vérification : en répétant les bits entrants la station vérifie si la trame contient DA=son adresse, si oui elle la copie et les bits AC sont passés à 1.

Deux types de trames peuvent lui être destinées :

- des trames de contrôle

- des trames de données

Si détection d'erreur : le bit E = 1 (champ ED) erreur détectée.

Protocole SMT (Station ManagemenT)

Stations de gestion

Le moniteur actif (Active Monitor) centralise la gestion.

Les autres stations sont en veille (Standby Monitor), elles sont capables de détecter à tout moment la défaillance de l' Active Monitor. Elles prennent alors la relève du contrôle.

Moniteur Actif (Processus d'élection et rôle)

Cette station  a gagné le processus d'appel du jeton lors de l'initialisation de l'anneau

Processus:

• Chaque station arme son TVX, s'il expire, elles arment leur TNT (Timer No Token), s'il expire, elles peuvent transmettre une trame "Claim Token".
• Si la Claim Token fait un tour sans que la station ait reçu une "claim token" d'une autre station : la station devient le moniteur actif (MA)

Action du moniteur actif

• Le moniteur actif génère alors un nouveau jeton ; les autres seront les moniteurs en veille.
• Le moniteur actif reprend les erreurs portant sur tout ce qui circule (dont jeton), il positionne à 1 le bit M monitor sur toutes les trames. Il Réarme TVX à chaque passage de trame ou de jeton.
• L'absence de jeton est détectée par TVX (expiration), le compteur de trame en erreur est alors incrémenté.
• Une purge de l'anneau est alors effectuée. Les trames non valides (moins de 3 octets) et les trames orphelines (bit monitor déjà à 1) sont retirées de l'anneau et donnent lieu à une purge durant TRR.
• Un jeton est réémis avec priorité plus faible, pour mémoire un jeton circule de façon persistante avec une priorité donnée.

Rôle des moniteurs en veille

A l'initialisation de l'anneau

• Ils vérifient l'unicité de leur adresse et que celle-ci est connue de leur voisin direct en amont.

A l'état de veille

• Ils vérifient qu'il y a un moniteur actif présent.
• Ils signalent leurs présence  à leur voisin (Neighbor Notification).
• Ils vérifient qu'il y a un moniteur actif présent.
• Ils signalent leurs présence  à leur voisin (Neighbor Notification).

Processus Neighbor Notification

• Le moniteur actif diffuse une AMP (Active Monitor Présent).
• La station en aval effectue les opérations suivantes:

- Armement de TSM (Timer Standby Moniteur).
- Copie de la trame AMP et stockage de l'Ad de cette station (Amont).
- Positionnement des bits A et C de la trame AMP (Active Monitor Present).
- Armement du temporisateur TQP (Timer Queue PDU) et transmission de sa trame SMP (Standby Monitor Present).
- La station voisine effectue le même travail sur réception de la trame SMP et ainsi de suite.

Si TSM expire

• Un moniteur en veille commence à émettre une Claim Token.

Si TNT (Timer No Token) expire

• La station transmet une trame Beacon (signale d'une panne grave).
• Le réseau sera ensuite réinitialisé.

Service MAC en 802.5 mis à disposition de LLC

Trois primitives de service (Norme ISO 10039)

• MA_DATA.request

Paramètres :

Contrôle de trame : donne la valeur de FC à utiliser pour la trame MAC.
Adresse destination : individuelle ou de groupe.
m_sdu : données LLC à émettre.
Classe de service : priorité à utiliser pour le transfert.

• MA_DATA.indication

Paramètres :

Contrôle de trame : donne la valeur de FC utilisée pour la trame MAC reçue.
Adresse destination : individuelle ou de groupe.
Adresse source : identifie l'émetteur.
m_sdu : données LLC reçues et délivrées.
Etat de réception : C.Rendu FR_GOOD, FR.WITH.ERROR. avec raison : Valeur bit E (0,1,invalide) valeur bits A.C (00,11,10,inval.).
Classe de service fournie: priorité effectivement utilisée pour le Transfert.

• MA_DATA.confirmation

(signification locale: indique le succès ou l'échec de l'émission)

Paramètres :

Etat de transmission : FR_GOOD, FR_WITH_ERROR avec raison : valeur bit.
E (0,1,invalide) valeur bits A.C (00,11,10,inval.).
Classe de service fournie : priorité effectivement utilisée pour le Transfert..

Service MAC pour l’entité SMT

L'interface entre MAC et SMT est totalement locale à la station.

Elles est utilisée par le moniteur pour contrôle des opérations MAC d'une ou plusieurs stations .

Primitives

MA_INITIALIZE_PROTOCOL.request ,MA_INITIALIZE_PROTOCOL.confirmation
MA_CONTROL.request , MA_STATUS.indication, MA_NMT_DATA.request
MA_NMT_DATA.indication, MA_NMT_DATA.confirmation
MA_NMT_DATA.request, MA_NMT_DATA.indication, MA_NMT_DATA.confirmation

Elles ont des rôles identiques aux MA_DATA_xxxxx,  mais portent des trames de contrôle MAC et non LCC (données). Elles permettent l’envoi et la réception de trames de contrôle MAC.

Composants de la couche Physique

La sous couche PHY assume l'interface avec la couche MAC

Support Trunk Cable Il permet de transférer le signal codé en Manchester (Bande de base) TCU (Trunk Coupling Unit) Elle relie la station au support à l'aide d'un connecteur (Medium Interface Connector), celui-ci peut être éventuellement éloigné de la station

Rôle de la TCU (ou répéteur)

Elle connecte la station au support. Ses fonctions principales sont :

• Répéter les bits entrants
• Insérer des données sur l'anneau
• Recevoir des données depuis l'anneau
• Détruire des données
• Amplifier les signaux

Etats de la TCU

By-Pass : La station est inactive, la TCU répéte les bits entrants de l'amont vers l'aval. Listen : La station est active, la TCU copie les bits entrants vers la station et restransmet vers l'aval en simultané. Les bits peuvent être modifiés au vol.

• Transmission

La station transmet une trame et peut recevoir des bits depuis l'amont
Si ces derniers appartiennent à une autre transmission : la station les stocke, le temps de sa transmission avant de les retransmettre

• Le tampon de latence

Il est utilisé par le moniteur actif pour deux objectifs:

Compensation du délai de retour du jeton
Si toutes les stations sont en état de répétition le jeton ne doit pas revenir trop vite. L'anneau doit avoir une certaine latence (en temps-bit).
Un tampons de latence est inséré sur l'anneau (niveau moniteur actif) les bits entrants sont mémorisés temporairement (val moy 24 bits).
Compensation de la gigue (variation de propagation du signal)
La synchro des stations est basée sur ce signal, selon avance ou retard. le moniteur insère ou enlève des bits de l'anneau.

Traitement des fautes

Aperçu  technique : on constate  2 types d’erreurs

Type 1 : Erreurs Matérielles Stables

Défaut matériel

• Emission continue

Insertion d'un flot de bits par une station, donc écrasement des trames en transit

Deux origines :

            - Répétition mal effectuée

            - Entrée d'une station qui croit avoir le jeton

• Perte du signal

Origine : rupture de  l'anneau

Panne de concentrateur

• Erreur de fréquence

Origine : dérives importantes des horloges de l'émetteur et du récepteur

• Panne de coupleur

Origine : détectable par le site Hôte

Action 

• Court circuiter ou retirer l'élément fautif
• Procéder à la reconfiguration de l'anneau :

D'abord en automatique
          Sinon via maintenance

Phases de reconfigurations sur panne stable

Sur détection de l'erreur : 1 -  Le moniteur tente purge anneau 2 - Il y a forcément échec car panne stable (non récupération) 3 - Les moniteurs de secours ( autres équipements ) : Déduisent présence d'une faute (en raison de la non récupération Tentent la réélection d'un nouveau moniteur.

4 -   Puis en raison de la présence  continuelle d'une faute :

• Enchaînent par une séquence  BEACON, déconnexion physique des stations

• Ensuite il y a test local et individuel de chaque station

• Si positif = réinsertion.de la station Si négatif = appel maintenance

5 - Si fin de test positif = il y a tentative de reconfiguration :

Si réussite de la reconfiguration :

 1 -  réélection d'un contrôleur
            2 - celui-ci purge l'anneau
            3 - et réémet un jeton

Si échec de la reconfiguration :

Fin de tentative automatique; appel à la maintenance.

Note sur  la procédure de réélection du contrôleur :

Il s'agit d'un mécanisme conflictuel, il n'y a pas de collision réelle sur anneau.

Le fait pour une émetteur de recevoir quelque chose que l'on n'a pas émis est considéré comme collision, quelque chose que l'on n'a pas émis est considéré comme collision           

Type 2 : Erreurs Transitoires Matérielles ou Logicielles

Récupérables par les protocoles de gestion de l'anneau

• Erreur de Transmissions

- émission continue
- erreurs de fréquence (parasites)
- perte temporaire du signal
- erreurs dues à une faute de transmission

• Perte de trames
• Perte ou modification du jeton
• Création de multiples moniteurs
• Non reconnaissance d'un délimiteur de trame

Traitement des Erreurs Transitoires

La différence est dans la durée, fin constatée lors de la phase de reconfiguration

Origine des erreurs transitoires

• Panne vue par le moniteur actif

Elle entraîne la purge de l'anneau

Echec possible :

la commande n'est pas percue par toutes stations

Ex : station moniteur de secours en cours de tentative de réélection

Phases de reconfigurations (dans ce cas)

• Panne vue par moniteur actif

Purge de l'anneau :

- Echec possible, la commande n'est pas percue par toutes stations.
- Echec possible, la station moniteur de secours est en cours de tentative de réélection par exemple.

1er cas : La panne cesse pendant la purge Le système entre en phase de réélection directe Le nouveau moniteur règle le problème L'anneau est de nouveau opérationnel 2eme cas: Le processus ne trouve pas sa finalité à temps, situation d'erreur trop longue traitement identique aux pannes stables.

Conclusion:

Il est à noter qu'un simple parasitage peut entraîner au minimum le séquentiel de purge.