Cours Réseaux Locaux Ethernet

Technologies supports et modèle OSI

OSI : Couche Liaison

La Couche Liaison achemine les trames de bits sur un médium avec une technique de transmission. Les fonctions associées sont :

- découpage de trame (framming)

- controôle d’erreur

- ordonnancement et fiabilité

- controôle de flux

- trois types de technologie pour la Couche Liaison «point-à -point

- multipoint sans diffusion - U.E. RTEL

- multipoint avec diffusion (médium partagé)

Couche Physique

La Couche Physique est associée à la transmission du signal :

- spécification des supports et signaux

« encodage des bits, émission en bande de base ou large bande

« caractéristiques des signaux électriques, optique, radio...

« caractéristique des supports :

- impédance des cables électriques, atténuation, longueur maximum

- fibre optique multimode, monomode

Technologies supports et TCP/IP

Couches OSI+∼ Couche TCP/IP

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Ethernet : Introduction

- années 90 : nombreuses technologies LAN - Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM...

Actuellement (en filaire) : LAN = Ethernet

- Ethernet est aux réseaux locaux ce qu’Internet est aux réseaux mondiaux

- pourquoi ?

« apparu en avance (milieu des années 70)

« simple

« décentralisé

« autoconfigurable

- économique et évolutif

Ethernet : Ou` ?

Ethernet : Variantes

Différents types d’Ethernet...

- deux topologies :

« bus

« étoile

- supports variés :

« cables coaxiaux

« paires torsadées

« fibres optiques

- large choix de débits :

« 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s...

... mais toujours la màªme base :

- adresses LAN

- structure de la trame

- service non connecté non fiable

- transmission généralement bande de base (numérique)

Ethernet : Adresses LAN

Adresses de l’adaptateur (sur 6 octets) - identifiant

- aussi appelées :

- adresses Ethernet

- adresses physiques (physical address)

- adresses MAC (Media Access Control address)

- notation hexadécimale : 00:10:A4:86:2D:0B

- adressage à plat administré par l’IEEE

Ethernet : Structure de la trame (1)

Délimitation de la trame :

- début

« préambule

- détection d’émission

- vérouillage temporel (synchronisation sur l’horloge de l’émetteur)

- indication du début (8ème octet)

- fin

« absence de courant pendant IFS (Inter Frame Spacing)

Ethernet : Structure de la trame (2)

Adresses destination et source :

- l’adaptateur n’accepte que les trames qui lui sont destinées

Type ethernet (Ethertype) > 1500 :
0x0800 = DoD Internet	0x0806 = ARP
0x0801 = X.75 Internet	0x8035 = RAP
0x0802 = NBS Internet	0x8098 = Appletalk
0x0803 = ECMA Internet	0x86DD = IPv6
0x0804 = ChaosNet	...

Données :

- MTU (Maximum Transfer Unit) : taille maximum = 1500 octets - taille minimum = 46 octets

«si besoin, ajout d’octets de bourrage (transmis à la couche réseau)

CRC-32 (Cyclic Redundancy Check sur 32 bits), polynome générateur :

G(x) = x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

Ethernet : Service

Service à la couche réseau :

- sans connexion

« service datagramme (identique à IP ou UDP)

« pas d’échange préalable à l’envoi de données

- non fiable

« controôle d’erreur (et élimination sans indication)

« pas de correction d’erreur

« pas d’acquittement

- l’émetteur n’a pas connaissance de la remise des données

- pas de controôle de flux (sauf commutateurs)

- pas de fenàªtre d’anticipation

- détection des pertes dans les couches supérieures (ex : TCP...)

- simplicité

Ethernet : Transmission

Bande de base

- émission directe des signaux numériques

Codage manchester

- pour les débits à 10 Mbps

«bande passante de 20 Mhz nécéssaire (1B/2B) :

Bit stream

(a) Binary encoding

(b) Manchester encoding

- pour les débits supérieurs, 4B/5B (FDDI), 8B/10B (Fiber Channel), 64B/66B et diverses encapsulations (FR, ATM, SONET...)

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Protocoles d’accès au médium

Liaisons directes émetteur récepteur - voir le cours Archi. point-à -point

Liaisons partagées :

- protocoles de partage de canal

« partage fixe de la bande passante (R/N par émetteur)

- multiplexage fréquenciel (FDM)

- multiplexage temporel (TDM)

- protocoles à partage de resource (taking-turns protocols)

« partage déterministe de la bande passante (R par émetteur)

- invitation à émettre (polling)

- passage de jeton (token-passing)

- protocoles d’accès aléatoire

« partage statistique de la bande passante (R par émetteur) mais collisions possibles

- ALOHA

- CSMA - Ethernet

ALOHA

Université d’Hawaii 70’

- technologie support d’un réseau radio basé sur des datagrammes

- protocole à accès aléatoire complètement décentralisé

- si collision, retransmission après un temps aléatoire

User

picture from Tanenbaum A. S. Computer Networks 3rd edition

CSMA

Amélioration de l’approche aléatoire

- détection de porteuse : CSMA (Carrier Sense Mutliple Access)

- attente avant émission

- détection de collision : CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)

- retransmission

«exemple avec une taille de trame mini de 64 octets - T détection : 64 octets à 10Mbps = 512/10⁷ =51,2µsec

- T prop. max : 2 * 2500m à 2.10⁸ms^−1 =25µsec +8∗ t_repet

(a) (b)

Noise burst gets back to A at 2Ï„

(c) Collision at (d)

time Ï„

Protocole d’accès Ethernet

- fonctionnement des adaptateurs :

« debut d’émission à tout moment : temps non discrétisé

« pas d’émission si détection d’une activité sur le canal : CSMA

« interruption de la transmission si autre activité : /CD

« attente aléatoire croissante avant retransmission : TBEB (Truncated Binary Exponential Backoff)

- étapes du protocole mis en Å“uvre dans les adaptateurs :

1. construction et mémorisation de la trame
2. si activité détecté, attente fin signal
3. attente IFS de 96 bits (sans détection de signal)
4. début transmission

(a) si détection collision :

1. interruption de la transmission
2. signal de brouillage de 32 bits jam sequence

iii. attente exponentielle (pour la n^ieme collision consécutive) de int(rand()*2^min(10,n))* 512 bits (exponential backoff phase) puis retour à l’étape 2.

(b) sinon continue la transmission jusqu’à la fin

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Ethernet : 10Base5

- débit : 10 Mbps

- médium : cable coaxial jaune de 500m max et 2 bouchons (50Ω)

- stations reliées aux transceivers agrippés au coax par un cable bleu

- topologie : bus étendu (51.2µs max - 4 répéteurs : 2500m max entre 2 stations)

Ethernet : 10Base2

- débit : 10 Mbps

- médium : cable coaxial noir de 200m (185m max) et 30 stations max par segments, connecteurs BNC en ”T” et terminateurs 50Ω

- topologie : bus étendu (51.2µs max - 4 répéteurs et 925m max entre 2 stations)

Ethernet : 10BaseT

- débit : 10 Mbps

- médium : paire torsadée de 100m max (UTP3), connecteurs RJ45 - topologie : étoile à partir d’un hub (concentrateur) - accès :

« half duplex - CSMA/CD

- plusieurs hubs possibles, reliés en cascade (51.2µs max)

« full duplex - point-à -point bidirectionnel simultané (sans collision)

- détection d’activité (Link Pulse toutes les 16±8 ms)

Ethernet : 100BaseTX

Fast Ethernet (1995)

- débit : 100 Mbps

- médium : paires torsadées de 100m max (UTP5), connecteurs RJ45

- encodage : 4B/5B (FDDI)

- topologies : étoile à partir d’un hub (concentrateur)

- accès :

« half duplex - CSMA/CD avec toujours 64 octets mini

- 2 hubs peuvent àªtre reliés (mais 5.12µs max : 210m max)

- distance limité en entreprise... voir les commutateurs

« full duplex - point-à -point bidirectionnel simultané

- détection d’activité (Fast Link Pulse : 33 impulsions / ∼ 16 ms) «FLP contient 16 bits pour l’auto-négociation

- détection des vitesses, modes et mécanismes disponibles

- plusieurs variantes :

« 100BaseT4 : 4 paires torsadées UTP3 (pas de full duplex)

« 100BaseFX : deux fibres optiques (400m max en multimode, 20km max en monomode)

Ethernet : 1000BaseT

Gigabit Ethernet (1998)

- débit : 1000 Mbps (1 Gbps)

- médium : paires torsadées de 100m max en UTP5+ (4 paires)

- encodage : 8B/10B (Fiber Channel)

- topologies : étoile à partir d’un hub (concentrateur)

- accès :

« half duplex - CSMA/CD avec 512 octets mini (extension de porteuse si besoin) - 4.01µs plutoôt que 0.512µs ! - 2 hubs peuvent àªtre reliés (toujours 210m max)

- performance ? burst possible pendant l’extension

« full duplex - point-à -point bidirectionnel simultané

- plusieurs variantes :

« 1000BaseCX : 2 paires torsadées blindées STP, 25m max

« 1000BaseSX : fibres optiques multimode 850nm 500m max

« 1000BaseLX : fibres optiques multimode et monomode 1300nm 5km max

Ethernet : 10GBase ?

10Gigabit Ethernet (2002)

- débit : 10 Gbps

- accès : full duplex uniquement (plus de CSMA/CD)

- médium : fibres optiques, OC192, DWDM...

- encodage : 64B/66B

- topologies : étoile à partir de commutateurs

- plusieurs variantes :

« fibres optiques (850nm, 1300nm et 1550nm) - de 65m à 40km max...

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Réseaux à diffusion Accès multiples sur un médium partagé : diffusion implicite

Transport d’IP :

- résolution d’adresses

- format d’encapsulation

Résolution d’adresse : ARP

Address Resolution Protocol

Diffusion explicite (utilisation d’une adresse destination de diffusion)

ARP sur Ethernet

ARP est un protocole transporté directement dans la trame Ethernet :

- ARP request : adresse destination = diffusion (FF:FF:FF:FF:FF:FF), source = demandeur

- ARP response : adresse destination = demandeur, source = répondeur

IP sur Ethernet

Type ethernet (Ethertype) > 1500 :

0x0800 = DoD Internet

Données :

- MTU : taille maximum du paquet IP = 1500 octets

- taille minimum = 46 octets (mais le paquet IP peut faire moins) «si besoin, ajout d’octets de bourrage (transmis à IP)

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Hub Ethernet

Concentrateur

- élément de la couche physique (niveau bit)

- répéteur multiport

«un bit arrivant sur une interface est diffusé sur les autres

- possibilité d’administration : SNMP, RMON...

Interconnexion de hubs

- linéaire

- hiérarchique avec hub fédérateur

Interconnexion de hubs

Dans un système multi-niveau (plusieurs hubs)

- LAN = l’ensemble du réseau local = domaine de collision) - segment = les équipements reliés à un hub

- + augmente la connectivité

- + augmente la redondance (déconnexion des hubs en panne)

- limitations physiques (distance, nb machines...)

- diminution du débit par machine

- augmentation des collisions (et réduction du débit)

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Pont Ethernet

Bridge

- élément de la couche liaison (niveau trame) - commutateur de trames

« filtre en fonction des adresses destinations

« une trame arrivant est transmise au port vers le destinataire «mémorisation + CSMA/CD (équipement sans adresse)

- intéràªts :

« + séparation des domaines de collision

« + multi-technologie (10Base2 avec 100BaseTX...)

« + plus de limitations physiques

Pont : Filtrage et relayage

Filtrage (filtering)

- détermination de l’acceptation ou du rejet d’une trame

Relayage (forwarding)

- choix de l’interface de sortie - table :

... ...

«lorsque qu’une trame avec @LANdest arrive par Ifx, la table indique comme port de sortie IFy :

- si IFx = IFy alors la trame provient du segment du destinataire - filtrage

- sinon la trame est transmise à IFy- relayage

Pont : Auto-apprentissage

Self-learning

- Algorithme de création de la table

1. table vide initialement
2. lors de la réception d’une trame, insertion dans la table de :

(a) son @LANsource

(b) son interface d’arrivée

(c) son heure d’arrivée3. validité limitée dans le temps

- remarques :

« si @LANdest absente de la table, alors diffusion (recopie vers les autres interfaces, mémorisation + CMSA/CD) «les ponts sont dits :

- auto-adaptatifs (plug and play)

- transparents (non adressés)

Ponts : Redondance

« + chemin de secours «+ auto-configuration

« – création de boucles (duplication)

- protocole d’arbre couvrant (STP)

Ponts : STP

Spanning Tree Protocol

- réseaux pontés avec redondance ∼ graphe (nÅ“uds = ponts)

«graphe sans boucle = arbre - construction d’un arbre couvrant

- pont avec un numéro identificateur : le plus petit est la racine - échange de BPDU <idroot, dstroot, idsnd, numport>

- inhibition des ports qui n’atteignent pas la racine par le plus court chemin

Pont ou routeur

Comment choisir?

Pont (couche 2) :

- commutateur de trames «+ auto-configurable

« + performance de relayage

« – toutes les trames empruntent le màªme arbre couvrant (SPF)

« – les diffusions (broadcast) sont globales

- réseau de taille limitée (→100 machines)

- recherche de simplicité

Routeur (couche 3) :

- commutateur de paquets

- + pas de boucle (TTL limitatif en période transitoire)

- + calcul du meilleur chemin (routage)

- configuration manuelle

- traitement plus long des messages

- réseau taille importante (1000→ machines)

- fonctions ”intelligentes” : isolation de trafic, filtrage...

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Commutateurs Ethernet

Ethernet Switch

- ponts à hautes performances (couche 2)

« nombreuses interfaces (∼ hubs)

« débit agrégé important - matrice de commutation

- multi-débit

« 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps...

- full duplex

« possibilité d’éviter CSMA/CD (∼ liaison point-à -point)

Hiérarchie Ethernet

Commutation ”Store and Forward”

Mémorisation puis transmission de la trame

- ∼ fonctionne comme un pont

- stockage complet avant retransmission (et calcul du CRC-32)

- latence mini de L_F/R_i (L_F taille trame, R_i débit du lien de sortie)

Commutation ”Cut-Through”

Transmission directe

- ∼ fonctionne comme un hub

- émission dès que le tampon de sortie est vide

- latence mini = lecture de l’adresse destination

«exemple : 100Mbps, trame de 1518 octets - gain de ∼ 120µs

- plus de controôle de la trame (CRC-32)

VLAN(1)

picture from Tanenbaum A. S. Computer Networks 4rd edition

Infrastructure de cablage générique

- configuration logique des LAN : Virtual LAN

VLAN(2)

Table de configuration dans les ponts et commutateurs

- détermination de l’appartenance à un VLAN

« par port

« par adresse LAN

« par protocole ou réseau de la couche 3

- plusieurs VLAN par port pour le transit (Virtual STP)

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Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

Normalisation IEEE 802

Définition de l’architecture

CSMA/CD Token ring WLAN WPAN WMAN

802.1x

Quelques normes intéressantes :

- 802.1d MAC Bridges «protocole STP...

- 802.1f MIB IEEE 802

- 802.1g MAC distant bridging

«inteconnexion de LAN avec des technologies WAN - 802.1h MAC Bridging of Ethernet V2 in IEEE 802 LAN - 802.1q Virtual Bridged LAN...

802.1q (1)

Ajout d’un identifiant de VLAN dans la trame picture from Tanenbaum A. S. Computer Networks 4rd edition

802.1q (2)

Evolution de la structure la trame Ethernet : 1522 octets max !

- seuls les équipements 802.1q échangent les nouvelles trames

- 4096 VLAN identifiables - 3 bits de priorité

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Pontage 802.2

Subdivision en 2 sous-couches de la Couche ISO Liaison

- LLC (Logical Link Control) sublayer

- MAC (Medium Access Control) sublayer

- permet le pontage direct des différents réseaux IEEE 802 :

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IEEE 802.2

LLC

MAC

Network layer

Data link

layerMAC LLC MAC

Physical layer Network

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IEEE 802.3 : CSMA/CD

Encapsulation de type SNAP/LLC :

Sous couche LLC

IEEE 802.3 : Appellations

Norme	date	nom	remarque
802.3	1985	10Base5	coaxial épais 50Ω
802.3a	1988	10Base2	coaxial fin 50Ω
802.3b	1985	10Broad36	coaxial TV 75Ω
802.3i	1990	10BaseT	sur 2 paires UTP3
802.3j	1993	10BaseF	sur fibres MM/SM
802.3u	1995	100BaseT4	sur 4 paires UTP3
802.3x et 802.3y	1997	100BaseT2	sur 2 paires UTP5
802.3z	1998	1000BaseX	module GBIC
802.3ab	1999	1000BaseT	sur 4 paires UTP5
802.3ac	1998	VLAN	pour 802.3
802.3ad	2000	Agrégation	plusieurs liens (trunking)
802.3ae	2002	10GBaseX	sur fibres MM/SM

Plan

Architecture Ethernet

- protocole d’accès au médium

- technologies Ethernet

- intégration TCP/IP

- hubs Ethernet

- ponts Ethernet

- commutateurs Ethernet

- standards IEEE

- autres LAN IEEE

IEEE 802.5 : Token Ring

1 1 1

(a)

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IEEE802.11 : WLAN

Wireless Ethernet

- zone de service : cellule ou BSS (Basic Service Set)

« stations sans-fil

« station de base (fixe) ou AP (Access Point) servant de pont 802