Introduction aux réseaux

Ce matériel couvre les méthodes d’accès au canal dans les réseaux de communication, en particulier les techniques utilisées pour gérer le partage du support de transmission. Il s’adresse aux étudiants en informatique, télécommunications ou réseaux souhaitant comprendre les principes fondamentaux des protocoles d’accès au canal, notamment CSMA, CSMA/CD et CSMA/CA, ainsi que les problématiques associées comme la détection de collision et la station cachée.

Contexte des liaisons réseau

Les réseaux utilisent différents types de liaisons pour transmettre les données :

• Liaisons point-à-point : un émetteur communique directement avec un récepteur. Ces liaisons sont généralement bidirectionnelles et faciles à exploiter car le support de transmission est dédié.
• Liaisons multipoints : plusieurs équipements partagent le même support de transmission, ce qui nécessite des méthodes spécifiques pour gérer l’accès au canal.

Un exemple courant de support partagé est le Wi-Fi, où plusieurs appareils utilisent la même fréquence pour communiquer.

Problématique des méthodes d’accès au canal

Dans un réseau à support partagé, la ressource (le canal) est limitée et doit être utilisée efficacement. En cas de forte charge, le rendement peut devenir très faible si les accès ne sont pas bien gérés. Il est donc nécessaire d’adopter des méthodes d’accès au canal adaptées pour éviter les collisions et optimiser l’utilisation du support.

Taxonomies des méthodes d’accès au canal

Classification selon le mode d’accès

• Accès aléatoire : les stations émettent sans autorisation préalable, ce qui peut entraîner des collisions (exemple : contention).
• Accès déterministe : un mécanisme désigne la station qui peut émettre, par exemple selon un ordre cyclique (Round Robin).

Classification selon l’approche de contrôle

• Approche centralisée : un nœud primaire attribue les droits d’accès aux autres stations.
• Approche distribuée : tous les nœuds participent de manière équivalente au contrôle d’accès.

Protocoles CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Le protocole CSMA repose sur l’écoute du canal avant émission :

• La station écoute le support physique pour détecter si une autre station transmet (par exemple, en mesurant un niveau électrique ou lumineux).
• Si le canal est libre, la station émet sa trame.
• Ce protocole ne supprime pas complètement les collisions à cause du délai de propagation du signal entre les stations.

La période de vulnérabilité correspond au temps de propagation maximal entre les nœuds les plus éloignés. Durant cette période, une station peut ne pas détecter une émission concurrente.

Cas des petites trames

Si la durée d’émission E d’une trame est inférieure à deux fois le délai de propagation τ (E < 2 × τ), des collisions peuvent survenir sans être détectées immédiatement. Par exemple :

• La station A émet une trame reçue correctement par C, mais pas par B ou D à cause d’une collision.
• La station B émet également une trame reçue par D, mais pas par A ou C.

Pour éviter ce problème, la durée d’émission doit être au moins égale à 2 × τ, ce qui peut nécessiter d’ajouter des bits de bourrage si la trame est trop courte. Cette contrainte limite aussi la topologie du réseau pour éviter des délais de propagation trop longs.

Variantes du CSMA

• CSMA non persistant : si le canal est occupé, la station attend un temps aléatoire avant de réécouter le canal.
• CSMA persistant : la station écoute continuellement le canal et émet dès qu’il est libre. En cas de collision, un temps d’attente aléatoire est appliqué avant la retransmission.
• CSMA p-persistant : le temps est divisé en intervalles. La station émet avec une probabilité p si le canal est libre, sinon elle attend l’intervalle suivant. Ce processus se répète jusqu’à émission.

CSMA/CD (Collision Detection)

Cette méthode est la plus utilisée dans les réseaux filaires Ethernet :

• La station écoute le canal avant et pendant l’émission pour détecter une collision.
• Si une collision est détectée, la station interrompt l’émission et envoie une séquence de brouillage pour informer les autres stations.
• L’émission est ensuite reprise après un temps d’attente aléatoire.

Contrairement aux méthodes précédentes, l’émetteur ne dépend pas d’un acquittement mais détecte directement la collision, ce qui permet d’abandonner rapidement une émission conflictuelle.

Condition de détection de collision

L’émetteur doit écouter le canal pendant une période minimale égale à deux fois le temps maximum de propagation entre deux stations. Cette période, appelée fenêtre de collision, est de 51,2 μs.

Exemple :

t = 0
A commence à émettre

t = RTT/2 - ε
B commence à émettre (avant d’avoir reçu le premier bit de A)

Pour que A détecte la collision, il doit continuer à émettre lorsque le premier bit de B lui parvient.

Algorithme de retransmission : Binary Exponential Backoff (BEB)

Pour éviter la répétition systématique des collisions, chaque station applique l’algorithme BEB :

Début : n = 0

Lorsqu’une collision survient :
  n = n + 1
  Si n < 16 alors
    Choisir un entier K au hasard dans {0, 1, ..., min(2^n - 1, 2^10 - 1)}
    Attendre K × (2 × τ) secondes
    Réessayer l’émission
  Sinon
    Informer la couche supérieure de l’échec
    Abandonner

Les réseaux IEEE 802.11 et CSMA/CA (Collision Avoidance)

Dans les réseaux sans fil, la détection de collision est difficile. Le protocole CSMA/CA évite les collisions en utilisant des mécanismes spécifiques :

• Avant d’émettre, la station attend un intervalle DIFS (Distributed Inter Frame Space) égal à SIFS + 2 × Slot Time, où :
• SIFS (Short Inter Frame Space) = 10 µs
• Slot Time = 20 µs
• DIFS = 50 µs
• La station utilise une fenêtre de contention (Backoff) avec une variable CW (Contention Window) qui détermine un temps d’attente aléatoire avant émission.

Procédure de Backoff

CWmax = 31 initialement

Si un timeout survient :
  CWmax = 1023
  CW ← min(CWmax, CW × 2)
Sinon :
  Attendre que le canal soit libre
  Attendre DIFS
  CW ← valeur aléatoire dans [1, CWmax]
  Tant que le canal est libre :
    CW ← CW - 1
    Si CW = 0 alors émettre

Gestion des collisions et station cachée

En cas de collision, les stations ne reçoivent pas d’acquittement (ACK). Le protocole prévoit alors un nouveau Backoff.

Un problème fréquent est celui de la station cachée :

• La station A envoie à B.
• La station C envoie aussi à B.
• A et C ne détectent pas la transmission de l’autre, ce qui provoque une collision au niveau de B.

Solution RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send)

Pour éviter la station cachée, un mécanisme de réservation est utilisé :

• Avant d’envoyer des données, la station émet un message RTS.
• Le récepteur répond par un message CTS.
• Les autres stations qui entendent RTS ou CTS attendent la fin de la transmission.

Cette réservation est renforcée par le Virtual Carrier Sense :

• Les messages RTS/CTS contiennent la durée estimée de la transmission.
• Chaque station maintient un temporisateur appelé NAV (Network Allocation Vector) égal à cette durée.
• Si NAV > 0, la station ne transmet pas même si le canal semble libre physiquement.

Glossaire des termes clés

• Accès aléatoire : méthode où les stations émettent sans autorisation préalable, pouvant provoquer des collisions.
• Accès déterministe : méthode où un mécanisme désigne la station qui peut émettre.
• CSMA : Carrier Sense Multiple Access, protocole d’accès multiple avec écoute du canal avant émission.
• CSMA/CD : CSMA avec détection de collision, utilisé dans Ethernet.
• CSMA/CA : CSMA avec évitement de collision, utilisé dans les réseaux sans fil IEEE 802.11.
• Période de vulnérabilité : temps maximal de propagation durant lequel une collision peut ne pas être détectée.
• Fenêtre de collision : durée pendant laquelle une station doit écouter le canal pour détecter une collision (51,2 μs).
• Binary Exponential Backoff (BEB) : algorithme de temporisation aléatoire après collision pour éviter les retransmissions simultanées.
• Station cachée : situation où deux stations ne détectent pas la transmission de l’autre, provoquant une collision au récepteur.
• RTS/CTS : mécanisme de réservation dans les réseaux sans fil pour éviter la station cachée.
• Network Allocation Vector (NAV) : temporisateur indiquant la durée pendant laquelle une station doit rester silencieuse.

Points clés à retenir

• Les méthodes d’accès au canal sont essentielles pour gérer le partage du support de transmission dans les réseaux multipoints.
• CSMA écoute le canal avant d’émettre mais ne supprime pas totalement les collisions.
• CSMA/CD détecte les collisions pendant l’émission et permet une interruption rapide.
• La durée minimale d’émission doit être au moins égale à deux fois le délai de propagation pour garantir la détection des collisions.
• Le Binary Exponential Backoff évite les retransmissions simultanées après une collision.
• CSMA/CA utilise des mécanismes d’évitement de collision adaptés aux réseaux sans fil, notamment RTS/CTS pour résoudre le problème de la station cachée.
• Le Virtual Carrier Sense avec le NAV permet aux stations de réserver le canal même si elles ne détectent pas physiquement une transmission.