Introduction à la technologieEthernet

Dr. Jean-Patrick Gelas/ATER (2005)CCIR1 – Réseaux Locaux

Rappel : Comment atteindre physiquement l'autre ?

Definition du signal

Les communications de données informatiques se font par :

● signaux électriques dans les câbles,● signaux lumineux dans les fibres optiques,● ondes radio pour les liaisons hertziennes.

Le signal peut être analogique ou numérique (digital)

Le signal numérique se transmet moins loin que le signal analogique.

⇒ Modulation du signal digital en analogique⇒ Plusieurs techniques de modulationUn MODEM MODule le signal numérique en analogique et DEModule un signal analogique en numérique.Un CODEC CODe un signal analogique (la voix) en numérique et DECode le signal numérique en analogique. Plus il est efficace, moins il a d'exigences de bande passante.

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Rappel : Types de modulation● Modulation d'amplitude

● Modulation de fréquencePlus grande qualité, plus large spectre de modulation donc plus hautes fréquences porteuse (> 100MHz). Moins sensible au bruit.

● Modulation de phaseRésiste mieux aux interférences.

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Rappel : Comment coder l'information efficacement ?

● L'information de base est le bit (binary digit).

● Il existe plusieurs façons de coder l'information mais pour cela :

– Il faut se synchroniser de part et d'autre (horloge).

– Il faut convenir d'une façon de représenter les bits sur le signal (TTL, Manchester, Manchester différentiel, NRZ, NRZI, NRZ-L,...)

Codage Manchester Codage NRZ

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Rappel : Comment être efficace dans la transmission ?

● Quel est la largeur du tuyau ?

– Notion de bande passante (ex: 10 Mbit/s)

– Loi de ShannonC = W log2 (1 + S/N)

C : capacité maximale en bauds (l'unité de changement d'état d'une ligne de transmission)

W : largeur de bandeS/N : rapport signal sur bruit

● Combien de « conversations » sont transmises en même temps ?Bande de base (baseband) : Toute la bande est utilisée par un seul signal.Large bande (broadband) : La bande passante est répartie entre plusieurs signaux transmis simultanément.Multiplexage : en temps (TDM), en fréquence (FDM), ou en longueur d'onde (WDM).

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Rappel : Comment faire en sorte qu'il n'y ait pas d'erreurs ?

Le signal est soumis à de nombreuses distorsions :Atténuation : câble trop longs. Parade : long. maxi, géométrie, nature de la

lumière, pureté de la fibre. Répéteurs, amplificateurs. Dispersion : étalement des signaux dans le temps du au type de média.

Parade : bonne longueur et impédance de cables. Fibre : longueur d'onde précise.Reflexion : Le signal atteint une discontinuité, il est réfléchi en partie (dans les

fibres optiques aussi). Parade : média éléctrique avec impédance particulière, en accord avec les caractéristiques éléctriques de la carte réseau.

Gigue : décalage des horloges entre source et destination. Parade : synchronisation des horloges (type de codage choisi) .

Latence : temps de transmission (Cu 1.9E8 à 2.4E8 km/s). Si les bits transitent par dispositifs électroniques alors latence.

Collision : à prévenir ou détecter (CSMA/CA ou CSMA/CD).

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Rappel : Comment faire en sorte qu'il n'y ait pas d'erreurs ?

Le signal est soumis à de nombreuses distorsions (suite) :

Diaphonie et paradiaphonie (diaphonie rapprochée) : bruit venant d'autres câbles électriques. Parade : l'annulation. On configure les câbles en paires (paires torsadées), et on respecte les procédures de raccordement. Le courant dans chaque fil crée un champ magnétique. Deux fils proches dont les courants sont opposés : les champs s'annulent. La torsade augmente l'effet d'annulation et annule aussi les champs extérieurs.

Interférence (RF) : chaque fil = 1 antenne. Le LAN utilise une fréquence de 1 à 100 Mhz, qui est aussi la bande de fréquence FM (radio).

Bruit d'alimentation secteur : dû à tous les câbles électriques qui nous entourent. Parade : Mise à la terre électrique, s'éloigner des sources d'alimentation.

Bruit thermique : inévitable et négligeable (mouvement d'électrons). Parade : donner une amplitude suffisante pour que le rapport S/B soit assez grand.

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Rappel : Comment faire en sorte qu'il n'y ait pas d'erreurs ?

● On peut remédier à tous ces problèmes en contraignant les médias de communication à certains standards définissant leur propriétés physiques (paires torsadées blindées (STP), non-blindées (UTP), coaxiaux, longueur maximum, impédance. Fibre optique mono ou multi-mode, diamètre, ...).

● En résumé, les parades aux distorsions du signal sont :Mises à la terre, longueur du câble, diamètre des câbles et des fibres, type de média, terminaisons, annulation par paires torsadés, blindage, éloignement des sources d'interférences.

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Rappel : Comment transférer des suites cohérentes d'octets à une autre machine ?

La transmission peut se faire de manière :

● Asynchrone

– Chaque caractère est enveloppé de bits de synchronisation (1 bit start, 1 ou 2 bits de stop) qui permettent de caler l'horloge d'échantillonage pour décoder le caractere. La ligne est inerte autrement.

● Synchrone

– Des drapeaux (flags), le caractère 0x7E (01111110), transitent en permanence sur la ligne et maintiennent les horloges synchronisées. Chaque trame est un ensemble de caractères entiers qui commence dès qu'autre chose qu'un flag est transmis. (ex : HDLC)

– En général, beaucoup plus rapide que les protocoles asynchrones.

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Rappel : Dans quelles configurations se connecte-t'on ?

● Point-à-point

● Multipoint

● Etoile

● Etoile étendue

● Bus

● Arbre

● Anneau

● Réseau maillé

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Introduction● La technologie Ethernet a conquis la majeure partie du marché.

● Jusqu'au début des années 1990, ce n'était qu'une technologieparmi d'autres (token ring, FDDI, ATM, ...).

● De plus, Ethernet paraît être en bonne position pour conserver son statut de technologie prédominante pendant encore de nombreuses années.

● Pourquoi ?

– Première technologie LAN haut débit grand public,

– Les autres technologies sont sensiblement plus complexes,

– Usage d'un protocole entièrement décentralisé (CSMA/CD) synonyme de simplicité, d'où un matériel peu onéreux.

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Historique● Le premier LAN Ethernet fut conçu au milieu des années 1970 par Bob

Metcalfe et David Boggs (au Xerox PARC, Palo Alto, CA, USA).

● Débit original de 2.94 Mbit/s !

Bob Metcalfe

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Introduction à la technologie Ethernet

Ethernet se décline dans de nombreuses variantes :

– Différentes topologies (bus ou étoile)

– Capable de faire usage de câbles coaxiaux, de fils en cuivre à paires torsadées, ou de fibres optiques.

– Offrant une large gamme de débit : 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1Gbit/s, 10 Gbit/s

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Structure des trames Ethernet

● L'élément unificateur des divers systèmes Ethernet est la structure des trames qui est la même dans tous les systèmes Ethernet.

● Un datagramme (ex : IP, couche réseau) est encapsulé dans une trame Ethernet qui est remis à la couche physique. Le récepteur reçoit la trame sur sa couche physique, en extrait le datagramme et le remet à la couche réseau.

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Etude de la structure d'une trame Ethernet

● Champs de données (46 à 1500 octets). C'est ici que vient se loger le datagramme IP. L'unité de transfert maximale (MTU, Maximale Transfer Unit) d'un réseau Ethernet est de 1500 octets. Au-dessus de cette taille les datagrammes doivent être fragmentés. Ce champ a une taille minimale de 46 octets. Si le datagramme a une taille inférieure, il devra être complété avec des octets de « bourrage » (padding) et c'est la couche réseau qui sera chargée de les éliminer.

● Adresse de destination (6 octets). Ce champ contient l'adresse LAN de l'adaptateur du destinataire (ex: 00:08:74:E1:18:19).

● Adresse d'origine (6 octets). Ce champ contient l'adresse LAN de l'adaptateur responsable de l'expédition de la trame.

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Système d'adressage Ethernet

● MAC address (Medium Access Control)L'adresse de niveau 2 d'un élément de réseau.

● Format : 6 octets exprimés en hexadécimal, séparés par « : ».

– OUI (Organization Unique Id) (3 octets)

– PID (Product Id) (3 octets)● Source MAC Address : l'adresse MAC de

la station émettrice.

● Destination MAC Address : l'adresse MAC de la station destinataire.

00:05:4E:4B:14:52

OUI PID

DA SA data

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Etude de la structure d'une trame Ethernet (suite)

● Champ de type (2 octets). Ce champ permet de « multiplexer » les protocoles de couche Réseau (IP, ARP, ICMP,...). Il indique quel protocole de la couche supérieure est utilisé.

0x0800 IPv40x0806 ARP0x86DD IPv6

● Préambule (8 octets). Chacun des 7 premiers octects vaut 10101010 et cette série de 7 octets permet à la carte réceptrice de synchroniser son horloge. Le 8ème octet (appelé SFD, Starting Frame Delimiter) vaut 10101011 et indique à la carte réceptrice que le début de la trame va commencer.

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Etude de la structure d'une trame Ethernet (suite)

● Séquence de contrôle de trame (4 octets).

1) Ce champ permet à l'adaptateur du destinataire de détecter toute erreur pouvant s'être glissée au sein de la trame.

2) Les erreurs binaires sont principalement créées par les variations d'affaiblissement du signal et l'induction électromagnétique parasite dans les câbles Ethernet ou les cartes d'interface.

3) Ce champ (FCS, Frame Check Sequence) est le résulat d’un calcul effectué sur les champs @MAC Destination, @MAC Source, Type protocole et Données. A la réception de la trame, la couche liaison effectue le même calcul et compare les deux résultats qui doivent être égaux. Le calcul effectué est un calcul polynomial applelé CRC (Cyclic Redundancy Code).

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Service sans connexion non fiable● Le service procuré par les différentes versions d'Ethernet à la couche

Réseau est un service sans connexion. Les trames sont envoyées par l'adaptateur sans aucune procédure de type « handshake » avec l'adaptateur destinataire.

● Ce service de couche 2 est similaire au service en mode datagramme de couche 3 assuré par IP et au service sans connexion de couche 4 d'UDP.

● Le service sans connexion d'Ethernet est également non-fiable, ce qui signifie qu'aucun acquittement, positif ou négatif, n'est émis lorsqu'une trame passe le contrôle CRC avec succès ou lorsque celle-ci échoue.

● Cette absence de fiabilité constitue sans doute la clé de la simplicité et des coûts modérés des systèmes Ethernet.

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Transmission en bande de base et codage Manchester● Ethernet repose sur une transmission en bande de base (les adaptateurs

envoient des signaux numériques directement sur le canal de diffusion).

● Ethernet utilise le codage Manchester : Les « 1 » présentent une transition vers le bas et les « 0 » une transition vers le haut.

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CSMA/CD : Le protocole d'accès multiple d'Ethernet● Les noeuds d'un réseau LAN Ethernet sont reliés les uns aux autres par un canal

à diffusion. Lorsqu'un adaptateur transmet une trame, tous les autres adaptateurs la reçoivent.

● Ethernet repose sur un algorithme d'accès multiple CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

1. Les adaptateurs peuvent commencer à transmettre à n'importe quel moment.

2. Les adaptateurs ne transmettent jamais lorsqu'ils détectent une activité sur le canal.

3. Les adaptateurs interrompent leur transmission dès qu'ils détectent l'activité d'un autre adaptateur au sein du canal (détection de collisions).

4. Avant de procéder à la retransmission d'une trame, les adaptateurs patientent pendant une durée aléatoire relativement courte.

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Ethernet étape par étape

1. L'adaptateur obtient un paquet de couche Réseau, prépare une trame Ethernet et la place dans sa mémoire tampon.

2. S'il ne détecte aucune activité sur le canal, il commence à transmettre. Si le canal est occupé, il se met en attente jusqu'à la fin du signal d'énergie (plus 96 fois la durée d'un bit) et commence alors la transmission de la trame.

3. Pendant la transmission, l'adaptateur continue de surveiller qu'il n'y a aucun autre signal en provenance d'un autre adaptateur. Si c'est le cas, il poursuit la transmission de la trame jusqu'au bout.

4. S'il détecte le début d'une autre transmission, il interrompt la sienne et envoie un signal de brouillage de 48 bits.

5. Après cette interruption, l'adaptateur entre dans une phase d'attente exponentielle (exponential backoff phase). Après la nième collision consécutive au cours de la transmission d'une trame, un adaptateur choisit de façon aléatoire une valeur K dans l'ensemble {0, 1, 2,..., 2m-1}, dans lequel m=min(n,10). Il attend ensuite K x 512 fois la durée d'un bit, puis revient à l'étape 2. 22

Commentaires au sujet du protocole CSMA/CD

● Le rôle des signaux de brouillage est d'informer tous les autres adaptateurs des collisions qui se produisent sur le canal.

● La norme Ethernet impose des limites à la distance entre 2 stations au sein d'un LAN. Cette limite permet de garantir que si un adaptateur choisit une valeur de K inférieuré à celle de tous les autres adaptateurs impliqués dans une collision, il pourra transmettre sa trame sans risquer une nouvelle collision.

● L'avantage d'une attente exponentielle est que cela permet de s'adapter au nombre d'adaptateurs impliqués dans une collision.

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Technologies Ethernet

● Plusieurs technologies Ethernet sont actuellement disponibles. Toutes sont normalisées par les groupes de travail IEEE 802.3 (LAN 802.3).

● 10base2 : câble coaxial fin, BNC, topologie en bus

● 10baseT et 100baseT : concentrateur (hub), RJ45, topologie en étoile

● 1 Gbit/s et 10 Gbit/s : extension des normes 10 et 100Mbit/s

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Concentrateurs (hubs)● Une méthode d'interconnection de réseaux LAN simple qui transforme l'architecture en bus

en architecture étoile .

● Les hubs sont des équipements de couche Physique.

● Les bits sont diffusés sur toutes les interfaces du hub (répéteur).

● Dans un système multiniveau, les différentes portions sont appelées segment LAN.

● Tous les segments LAN appartiennent au même domaine de collision et domaine de diffusion (broadcast).

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Ponts (bridges)● Les ponts agissent sur les trames Ethernet.

● Ils sont capables de transmettre et filtrer les trames au moyen de leur adresse de destination.

● Ils permettent d'étendre le domaine de diffusion et d'isoler les domaines de collisions.

● Possibilité d'interconnecter différentes technologies Ethernet.

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Ponts filtrant et pont réexpédiant● Le filtrage est la capacité d'un pont à déterminer si une trame doit être transmise à

une interface ou si elle mérite plutôt d'être ignorée.

● La fonction de réexpédition consiste à déterminer les interfaces vers lesquelles cette trame doit être rediririgées et ensuite à orienter la trame vers cette interface.

● Ces deux fonctions sont assurées grâce à une table qui contient des informations sur certaines (ou toutes les) stations du réseau. Ces informations sont : (1) l'adresse LAN de la station, (2) l'interface de pont y conduisant, (3) l'heure d'actualisation de ces données.

● Un pont exécute l'algorithme CSMA/CD avant toute tentative de transmission.

● Ni l'interface d'un pont, ni le pont auquel elle appartient ne possède d'adresse LAN (pas d'insertion d'adresse LAN de l'équipement dans le champ d'adresse d'origine des trames qu'il transmet).

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Ponts : Auto-apprentissage● Un pont présente la propriété de pouvoir élaborer sa table de manière

automatique, dynamique et totalement autonome.

● On dit qu'un pont est auto-adaptatif ou à auto-apprentissage (self-learning) :

1. La table du pont est initialement vide.

2. Lorsque l'adresse de destination d'une trame entrante ne se trouve pas dans la table, le pont en transmet une copie au tampon de sortie de toutes ses autres interfaces (flooding).

3. Lorsque le pont reçoit une trame, il insère dans sa table (1) l'adresse d'originie, (2) l'interface par laquelle elle est arrivée, (3) son heure d'arrivée.

4. Lorsqu'une trame arrive sur l'une des interfaces et que l'adresse de destination de la trame figure dans la table, le pont transmet la trame à l'interface appropriée.

5. Les informations contenues dans la table sont effacées après une certaine période de temps appelée durée de vie (aging time) si elles ne sont pas sollicitées.

● Grâce à leur nature plug'n play, on dit souvent que les ponts sont transparents.28

Protocole d'arbre recouvrant (Spanning Tree Protocol, STP, IEEE 802.1d)

Segments LAN interconnectés par des chemins redondants.

● Le problème lié à une interconnexion purement hiérarchique de différents segments de LAN est la fiabilité de l'ensemble.

● Il est recommandé de mettre plusieurs chemins entre les différents segments d'un LAN.

● ATTENTION : En l'absence des systèmes de contrôles appropriés, les trames peuvent former des boucles.

● Pour éviter les phénomènes de boucles et de multiplication destrames, les ponts ont recours au protocole spanning-tree.

● Les ponts s'échangent des informations sur les différents arbres de recouvrement du réseau, i.e. dans les sous-compartiments de la topologie originale ne présentant pas de boucle.

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Protocole d'arbre recouvrant (suite)

X = ports bloqués

● Le spanning-tree est un protocole auto-configurant pour le réseau qui détecte et casse les boucles.

● Il a de plus l'avantage d'être auto-réparateur.

● Le protocole STP :

1. Bloque tous les ports du réseau et rentre en mode « élection du pont racine » (root bridge).

2. Bloque certains ports de données et en maintient d'autres ouverts.

3. Le réseau se transforme en arbre et il n'y a plus de boucle (donc plus de problèmes).

4. En cas de rupture le STP déclenche une nouvelle configuration automatiquement et se répare tout seul (en un temps parfois difficile à déterminer).

X

X

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Ponts ou routeur ?● Un routeur est un commutateur de paquets avec enregistrement et retransmission (store-

and-forward) grâce aux adresses de couche Réseau.

● Un routeur est donc un commutateur de paquets de couche 3 et un pont un commutateur de couche 2.

● Le routeur a pour fonction de connecter entre eux plusieurs domaines de broadcast représentant chacun un domaine IP. Il définit la limite des domaines de broadcast qui lui sont connectés (protection contre les tempêtes de diffusion).

● Le routeur est la passerelle nécessaire au LAN pour discuter avec le reste du monde.

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Commutateur Ethernet (Switch)

● C'est un hub « intelligent » qui connecte toutes les stations en un point central.

● Il répète l'information en entrée seulement sur le ou les ports destinataires.

● Il se comporte comme un pont transparent.

● Il réalise un domaine de diffusion (broadcast) et micro-segmente le domaine de collision.

● Le switch est un composant de niveau 2 du réseau.

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Un réseau d'entreprise typiqueUne institution composée de plusieurs départements et disposant de différents hôtes peut mettre en place un réseau sur un mélange de hubs, de commutateurs ethernet et de routeurs.

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Commutation de type pseudo-transit (cut-through switching)

● Les fabricants de commutateurs Ethernet précisent souvent que leurs produits ont recours à une commutation de type cut-through plutôt qu'a la commutation de paquets de type store-and-forward assuré par les ponts et routeurs.

● La différence subtile entre ces deux modes de commutation diffère seulement quand le tampon de sortie devient vide.

● Un paquet n'a pas besoin d'être entierement « enregistré » en mémoire tampon avant d'être transmis.

● En d'autres termes, le commutateur peut commencer à transmettre le début d'un paquet même s'il n'a pas encore fini de le recevoir. Bien sûr, la transmission ne peut commencer tant que l'adresse de destination n'est pas connue.

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Bilan des différents équipements réseaux

Résumé des principales caractéristiques des dispositifs les plus répandus pour l'interconnexion des différents hôtes et segments d'un réseau LAN.

Hubs Ponts Routeurs

Isolement de trafic non oui oui ouiPlug and Play oui oui non ouiRoutage optimal non non oui nonPseudo-transit oui non non oui

CommutateursEthernet

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