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RLI 2011 1
RLI
Réseaux Locaux et InterconnexionsL3 Informatique
Cours : Jean-Jacques [email protected]
TD/TP : Pascal Mé[email protected]
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LAN
Canal partagé Câble, canal radio
Réseau local :Méthode d’accès
Limites en étendue,débit
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Interconnexion : pont
Pont
Pont/commutateur ethernetFiltrageSuppression des boucles=> Réseau local « étendu »
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Interconnexion : routeurs
R
RLAN = sous-réseau IPRouteurRoutage adressageEx : réseau d’entreprise
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Interconnexion : inter-domaineR
R
R
R
R
R
R
RRouteurs frontièrePolitique de routage
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Réseaux Locaux
• LAN : Local Area Network– concept apparu début années 80– Local : quelques mètres à quelques kilomètres– distances faibles
• débits élevés à moindre coût• infrastructure privée
– moins de contraintes réglementaires– propriétaire du réseau = propriétaire des murs
– En général réseau d’égal à égal• toute station avec toute autre
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Réseaux Locaux
• Infrastructure partagée– Niveau 0 gaines, tubes, armoires, …– Niveau 1 support de transmission
• câbles métalliques (paires torsadées, coaxial)• fibres• Canal radio (Wifi)• répéteurs/hub, transceiver, « modems »
– Niveau 2• ponts/switch
– Eventuellement niveau 3 et + (routeurs,firewall,…)
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Réseaux Locaux
• Objectifs– fournir connectivité de tous vers tous
• fiable• équitable• transparente• extensible (débit, nombre de machines,
étendue ?)– à faible coût (installation, maintenance, …)
• => PARTAGE
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Réseaux Locaux
• LAN = multiplexeur distribué• Comment contrôler accès au réseau :
– éviter les conflits (« collisions »)• ou les résoudre
– accès équitable– délai d’attente limité
• => méthodes d’accès
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Réseau partagé
Si S1 SN S2 S4 S3
infrastructure partagée (câble, canal radio, …)
Quand peut-on émettre ?
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Méthodes d’accès (1)
• Certaines inspirées du multiplexage– méthodes statiques– méthodes dynamiques centralisées– méthodes dynamiques distribuées
• préventives (pas de conflit)• curatives (résolution des conflits)
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Méthodes d’accès (2)
• Méthodes statiques– multiplexage en fréquence ou temporel– peu adaptées aux flux informatiques à
débit variable• Méthodes dynamiques centralisées
– Polling• entité maître interroge les esclaves• donne droit d’émettre• extensibilité ? fiabilité ?
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Méthodes d’accès (3)
• Méthodes dynamiques distribuées– méthodes distribuées préventives :– ex : méthodes à jeton– jeton = message donnant droit à émettre– nombreuses variantes méthodes– dépendent
• topologie du réseau (anneau, bus)• architecture matérielle
– Exemple : bus à jeton (token bus)
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Bus à jeton
• topologie en bus– support partagé– tout le monde entend tout le monde– 2 (ou +) émetteurs simultanés = collision
• => trames erronées
• Algorithme déterministe :– qui peut émettre ? Token bus
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Réseau en bus
Si S1 Sn S2 S4 S3
Emission trame S1Emission simultanée S4collision
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Principe
• Stations organisées en anneau logique– S1, S2, …, Sn
– fonction successeur• succ(Si) = si i < n alors Si+1 sinon S1 fsi
• jeton circule sur anneau– jeton (= petite trame spéciale) adressé– Si envoie jeton à succ(Si)– toute station « voit » le jeton (bus)– seul destinataire « capture » le jeton
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Principe (2)
• Lors de la réception du jeton par Si= le jeton lui est adressé
–si trame à émettre• envoyer une (ou plusieurs) trames de données• En général quantité limitée (ex : 1 trame)
–envoyer jeton à succ(Si)• Données :
–les trames de données (adressées) atteignentdirectement leur(s) destinataires(s) : bus–Possibilité de diffusion (broadcast)
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Fiabilité
• Panne station ne coupe pas le réseau– Physiquement (mais perte jeton ?)
• bus : tout le monde peut surveiller le jeton– circulation jeton
• absence jeton et trame de données (silence)=> perte jeton et/ou panne station
• si Si ne ré-émet pas le jetonSi-1 peut lui renvoyer (perte jeton ?)
• si pas de résultat (panne Si ?) Si-1 peut l’envoyer à Si+1nécessite de connaître successeur du successeur
=> écoute du jeton par exemple
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Insertion station
• Comment ajouter une station ?– Nouveau ne peut se faire connaître
• car on ne lui donne pas la parole (le jeton)– idée :
• nouvel arrivant écoute bus• à intervalle régulier
– possesseur du jeton Si envoie requête (broadcast)« Y a-t-il un (des) nouveau(x) » ?
– Nouveau répond avec son identité X– Si lui envoie succ(Si) et change de successeur : X– X s’insère donc entre Si et Si+1
• Si plusieurs nouveaux en même temps ?– collision ré-essayer après délai aléatoire : voir CSMA/CD
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Garanties de délai/débit
• Durée de rotation du jeton– Ex :
• jeton de 200 bits, trames de données 10 000 bits max• réseau 10 Mb/s, 100 stations, propagation 10µs
– « à vide » jeton fait un tour en• 100 * (200/107 + 10µs) = 3 ms minimum• Attente moyenne à vide 1,5 ms• Débit max 10 000/(10 000/107+0,003) = 2,5 Mb/s (≠ 10 Mb/s !!)
– « à pleine charge » (chaque station envoie 10 000 bits)• Rotation : 100 (10 000/107 + 200/107 + 10µs ) = 103 msDébit garanti = 10 000/0.103 = 97 Kb/s (théorique) Total ?
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Synthèse jeton sur bus
• Possibilité de garanties délai et débit– Déterminisme (en l’absence de panne/insertion)– rotation jeton « lente »
• Pénalise à faible charge• Bonne utilisation à forte charge
• panne station détectable• Difficulté insertion station
– peu adapté réseaux dynamiques• A été utilisé réseaux industriels « temps
réel » (ieee 802.4)
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Méthodes d’accès curatives
• Méthodes utilisées– réseaux à diffusion
• réseau radio ou• bus physique
– exemples• Aléatoire pure (Aloha)• CSMA• CSMA/CD• CSMA/CA
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Méthode Aloha
• Contexte : réseau radio– stations partagent le même canal radio
=> émissions « simultanées » = collision– Algorithme
si trame à émettrealors émettre trame
– Délai avant émission nul– si collision : trames perdues
• ré-émission prise en charge par couche supérieure fiable– ex TCP– => délai élevé en cas de collision, perte bande passante
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Performances Aloha
– Hypothèses (pas toujours réalistes)• nombre arbitrairement grand de stations• émetteurs indépendants suivant loi de Poisson• D = débit maximal théorique en trames/s
– ex : 1 Mb/s trames de L = 1000 bits : D = 1000 trame/s– durée émission trame t = 1/D = 1 ms
• G = charge totale émissions + ré-émissions– G = nombre de trames (ré)-émises /D– ex 100 émetteurs envoient chacun 8 trames/s => G = 0,8– G peut être supérieur à 1 (mais problème !)
• Proba(k émetteurs pendant t) = Gk e-G /k!0 émetteurs pendant t : e-G , 2t : e-2G
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Performances Aloha (2)
– Débit utile en fonction charge• période de contention dure 2t :[ t0 - t , t0+ t ] si la trame est émise en t0• Proba (émission réussie) = proba (0 émission en 2t)• Débit utile (en trames par période t)= G e-2G
• Débit utile maximal pour G = 1/2 et vaut 1/2e = 0,184(voir Tanenbaum pour les calculs)ex G=1/2 => 500 trames/t dont 184 « passent »
18,4% OK, 31,6% collision, 50% videG < 1/2 => moins de collisions mais moins de débit
G > 1/2 => collisions augmentent• Si G tend vers l’infini, débit utile tend vers 0
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Problèmes Aloha
– Nombre de collisions• croissant avec la charge• => peut-on en éviter tout ou partie ?
– Durée d’une collision (= temps perdu)• durée d’une trame complète• => peut-on réduire cette durée ?
– Durée de réparation d’une collision• retransmission par une couche supérieure• délai de garde (TCP, …)• => peut-on réduire ce délai ?
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Amélioration Aloha
– Amélioration possible• diminuer période de contention• Aloha en tranche (ou discrétisé)
– émetteurs synchronisés : 1 top tous les t (= tranche)– Émetteur(s) n’envoie(nt) qu’à un top– => période de contention dure t (au lieu de 2t)– Débit utile (rendement ) = G e -G– => maximum atteint pour G = 1– rendement max 1/e = 0,368 (double d’Aloha pur)
– Autre amélioration• diminuer nombre de collisions : CSMA
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CSMA
– Carrier Sense Multiple Access• Réseau à diffusion et écoute du signal• Principe : émetteur écoute le canal avant d’émettre
– Suppose que l’émetteur peut aussi recevoir• Algorithme
Si trame à émettreSi canal occupé attendre recommencerSinon émettre trame
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CSMA (2)
• Plusieurs stratégies suivant politique d’attente– émission dès que le canal est libre : CSMA persistant
» - risque d’accumuler les collisions après une trame» deux stations attendent qu’une troisième ait fini» + délais courts
– attendre un délai aléatoire avant d’écouter de nouveau» CSMA non persistant» avantage et inconvénients inversés
• Collisions toujours possibles– émissions « simultanées »
» au temps de propagation près» quelques dizaine de µs dans ethernet (contention)» alors qu’émission de 10 000 bits à 10 Mb/s = 1 ms
• Temps perdu pendant les collisions émission d’une trame complète => amélioré par CSMA/CD
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CSMA/CD
• CSMA with Collision Detection• CSMA avec détection de collision (par les émetteurs)• Suppose que physiquement un émetteur
– émet une trame– simultanément écoute le signal (donc réception particulière)– principe : signal émis ≠ signal reçu => collision détectée
• Algorithmesi trame à émettre
attendre canal libre suivant CSMA persistant ou noncommencer à émettre la trametant que émission non terminée
si collision détectéearrêter émission,attendre un certaine délairecommencer au début
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CSMA/CD (2)
• A priori s’il y a une collision– détectée après au plus 2t– Où t = temps de propagation aller– au bout de t toutes les stations reçoivent signal– => émettent au plus tard en t- ε– signal collision revient en au plus t : total < 2t– nécessite que le premier soit encore en émission
• Réduction temps perdu par collision ( ~ 2t)– intéressant si 2t << temps émission trame complète
• collision détectée rapidement => ré-émission plus rapide
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CSMA/CD (3)
• CSMA/CD et taille des trames– L taille trame minimale– D débit binaire– t = temps de propagation aller maximal entre 2 stations
Station A
Station B
Emission trame : L/D
t t
collision détectée si A émet encore
1er bit de B arrive en A1er bit de A arrive en B
Condition L/D > 2t
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CSMA/CD : attente avant ré-émission
• Combien de temps attendre avant ré-émission ?– délais fixes identiques => collision se répète– délais fixes différents => priorités– délais aléatoires
» intervalle court => attente faible, répétition collisionfréquente
» intervalle long : l’inverse– Binary Exponential Backoff– à la kième ( k≥ 0) tentative de retransmission d’une trame
» tirer i aléatoirement dans [0, 2k[» attendre un temps i . T où T est l’unité de temps > 2t
– Collision se répète si et seulement si parmi les i tirés» 2 émetteurs ont tiré la (même) valeur minimale
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CSMA /CD : attente (2)
– Exemple Binary Exponential Backoff avec 2 émetteurs» première collision chaque émetteur tire 0 ou1
proba 1/2 de répéter collision» deuxième essai chaque émetteur tire 0, 1, 2 ou 3
=> proba 1/4 de répéter collision» décroît très rapidement quand k augmente
– Note» possibilité de collisions multiples (plus de 2 émetteurs)
=> toutes les stations n’ont pas forcément le même k– En pratique dans ethernet
» i tiré dans dans [0, 2min(k,10)[ : attente < T * 210
» k limité à 16» => au delà de 16 retransmissions la trame est abandonnée
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Synthèse CSMA/CD
+ Attente nulle si réseau peu chargé• comme Aloha
+ Collisions limitées et retransmission rapideniveau LAN (indépendant couches hautes)
- Pas de garantie de délai- exemple T = 50 µs, => 210 T = 51,2 ms
- Pas de garantie que la trame sera transmise !!- Pas de garantie de débit minimum+ Mais en pratique fonctionne très bien (ethernet)
- si peu d’émetteurs- ou réseau non saturé (exemple 30%)
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CSMA/CA
– CSMA/CD pas toujours possible• impossibilité émettre/écouter simultanément ou• signal autre émetteur non audible
– exemple du terminal caché réseaux sans fil» distance trop grande entre émetteurs» ou obstacles
– CSMA/CA Collision Avoidance• « évitement de collision »
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Terminal caché
portée de A
A CB
portée de C
A n’entend pas C : collision en B
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Terminal exposé
portée de B
A DB
C entend B qui émet pour AC n’émet donc pas alors que D hors de portée de B
C
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Ex : MACA
– Multiple Access with Collision Avoidance• émetteur potentiel envoie trame RTS
– Ready to Send avec taille trame à émettre, destinataire» tout ceux à sa portée sont au courant
• récepteur (s’il a reçu RTS) envoie trame CTS– Clear To Send (taille trame)
» tout ceux à sa portée sont au courant• si émetteur reçoit CTS => envoie trame• récepteur envoie acquittement dans la foulée
– Echec (pas de CTS) : recommencer plus tard (aléatoirecomme CSMA/CD)
• améliorations : écouter avant d’émettre• envoyer courte trame d’acquittement (remplace CD)• principe utilisé dans WiFi 802.11
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RTS/CTS
portée de B
A DB
B veut émettre vers C B envoie RTS(C, L) A attend (~durée L) C envoie CTS(L) D attend ( ~durée L) B envoie trame (durée L) C envoie Ack A et D débloqué
CRTSRTS
CTS CTS
trametrame
Délai LDélai LDélai L
Ack Ack
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Normalisation des LAN
• Comité 802 de l’IEEE– normalise les LAN– premières normes en 1985– certaines normes accessibles par internethttp://standards.ieee.org/getieee802/802.html
• Certaines des normes reprises par l’ISOex IEEE802.3 => ISO 8802-3
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Architecture IEEE802
• La couche liaison (2 de l’ISO)– découpée en deux sous-couches
• couche MAC : Medium Access Control– définit une méthode d’accès (CSMA, …)
• couche LLC : Logical Link Control– commune aux différentes couches Mac– définit un protocole de liaison
» lien « virtuel » entre deux stations» 3 types de protocole suivant le service» LLC type 1 : datagramme non fiable (le + utilisé)» LLC type 2 : avec connexion, fiable (à la HDLC)» LLC type 3 : sans connexion, avec acquittements
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Architecture IEEE802 (2)
• Réseau local normalisé défini par– une méthode d’accès (couche Mac)– une couche physique
• caractérisée par plusieurs paramètres– support (paire torsadée, coaxial, fibre, canal radio)– débit– encodage (adapté au support et au débit)– paramètres du réseau (distance, nombre
équipements, …)
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Architecture IEEE802 (3)
Mac1
Phy
Mac2
Phy
Mac3
Phy
Macn
Phy… …
LLC
Management, bridging 802.1
802.2
802.3,4,5…
couche 2OSI
couche 1OSI
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Types de LAN IEEE
• Quelques exemples– 802.3 : CSMA/CD « ethernet »
• nombreux débits et supports– 802.4 : Token Bus - Bus à jeton– 802.5 : Token Ring - Anneau à jeton
• plusieurs débits et supports– 802.11 : Wireless « WiFi »
• plusieurs débits et « supports »– 802.15 : Wireless Personal Area Networks « Bluetooth »– 802.16 : Broadband Wireless Metropolitan Area Networks
« Wimax »
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IEEE802.3
• Protocole CSMA/CD– première norme en 1985– basée sur ethernet (Digital/Intel/Xerox),
• avec quelques différences
– évolution constante débits/supports• norme actuelle > 2600 pages
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IEEE802.3 : trame
• La trame 802.3adresse
destinationadressesourcepréambule données FCSlongueur
ou typeSFD
tous les champs : nombre entier d’octets préambule : synchronisation 7 octets 10101010 (début peut être perdu) SFD : Start of Frame Delimiter 1 octet 10101011 exemple en 10baseT, dépend de la couche physiqueadresse destination : 6 octetsadresse source : 6 octetslongueur ou type (ethertype) : 2 octetsdonnées : 46 à 1500 octets ( + y compris bourrage éventuel)FCS : Frame Check Sequence : 4 octets code polynomial détecteurX32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X1 + 1
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IEEE802.3 : adresses• codées sur 6 octets « adresses mac »
– premier bit (= bit poids faible 1er octet)• 0 : adresse individuelle (= adresse d’interface réseau)• 1 : adresse de groupe multicast (seulement destination)
– ex : 01:80:c2:00:00:00 (protocole spanning tree)– cas particulier ff:ff:ff:ff:ff:ff broadcast
– deuxième bit• 1 : adresses allouées localement, ou non universelles
– Ex : adresses multicast• 0 : adresses universelles 24 bits fabricant, 24bits #série
– ex 00:0d:93:c8:91:9c 00:0d:93 = Apple– voir http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt– adresse Mac non volatile sur la carte
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IEEE802.3 (2)
• Longueur de la trame (hors préambule) :– garantir Lmin/D > 2t (car CSMA/CD)
• choix Lmin = 64 octets– => 2t < 51,2 µs à D = 10Mb/s : limite taille réseau
• si données < 46 octets : padding
• Même champ peut coder le type (ethertype)– hérité de l’ethernet initial ( ≠ 802.3)
• identifie protocole supérieur• Ex en hexa : 0800 => IPv4, 0806 => ARP, 86DD => IPv6http://www.iana.org/assignments/ethernet-numbers• valeurs disjointes avec longueurs possibles• => cohabitation 2 types de trames même réseau
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Encapsulation 802.2 + SNAP
– 802.2 en mode datagramme (le + courant)– Entête 802.2 SSAP (1 octet) DSAP (1 o) Commande (1 o)– si SSAP = DSAP = 0xAA et Commande = 0x03
• transporte couche SNAP– Subnetwork Access Protocol : voir RFC 1042– 5 octets : 3 octets « autorité » , 2 octets « ethertype »– pour protocoles internet , autorité = 0
– Permet de transporter des protocoles différents• Au dessus de 802.3+802.2• Valable aussi pour d’autres couches mac
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Exemples de trames
• Broadcast ethernet protocole ARP00:05:85:8a:5c:5d > ff:ff:ff:ff:ff:ff, ethertype ARP (0x0806), length 64: arp• Multicast 802.3 + 802.2 Spanning tree Protocol00:0e:d7:ff:1c:50 > 01:80:c2:00:00:00, 802.3, length 64: LLC, dsap STP (0x42),
ssap STP (0x42), cmd 0x03, 802.1d• Ethernet : protocole IP unicast00:0d:93:c8:91:9c > 00:00:5e:00:01:33, ethertype IPv4 (0x0800), length 122: IP
130.79.90.153 > 130.79.200.11• Ethernet protocole IPv6 (et multicast)00:05:85:82:f8:3e > 33:33:00:00:00:09, ethertype IPv6 (0x86dd), length 1070:
fe80::205:8500:282:f83e.521 > ff02::9.521:802.3 + 802.2 + SNAP + IPX• 00:00:74:9d:2c:f4 > ff:ff:ff:ff:ff:ff, 802.3, length 64: LLC, dsap SNAP (0xaa), ssap
SNAP (0xaa), cmd 0x03, (NOV-ETHII) 00000000.00:00:74:9d:2c:f4.4100 >00000000.ff:ff:ff:ff:ff:ff.0452:ipx-sap-nearest-req 0004
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Algorithme récepteur
• Interface ethernet peut accepter plusieurs adresses• adresse de la carte (par défaut ou modifiée par ifconfig),
adresse broadcast + liste adresses multicast (si configurées)
• Récepteur ethernet– vérifie trame valide
• longueur multiple 8 bits, checksum correct• longueur ≥ 64 octets (sinon fragment collision) et ≤ 1518• => sinon ignorée
– si oui et si adresse destination non acceptée• => trame ignorée (sauf mode promiscuous)
– si trame valide et adresse destination acceptée• => trame fournie au « bon » protocole supérieur• (d’après champ ethertype ou SNAP)
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Ethernet : couches physiques
• Différentes instances débit/support/codage• Pour chaque instance
– codage (ex : 10 Mb/s : codage Manchester)– limitations sur le dimensionnement
• types et longueurs de câbles• équipement intermédiaires (répéteurs)• limitations globales (CSMA/CD )
• Répéteur (hub)– équipement interconnectant 2 ou plusieurs câbles– répétant le signal de chaque entrée vers toutes les sorties (~ampli)– permet augmentation distances et nombre stations– ne filtre pas : pas de limitation des collisions– câbles + répéteurs = 1 seul domaine de collision
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Exemple ethernet 10 Mb/s
– L/D > 2t => 2t < 51,2 µs (= SlotTime)• on doit limiter la taille du réseau
– Ordres de grandeur• traversée d’un répéteur ~2,2 µs• propagation 500 m coaxial ~2,2 µs
– 5 segments de câble reliés par 4 répéteurs• ~ 51 µs aller retour (< 512 bits)
– limite de 4 répéteurs « en série »
– Note : possibilité d’un + grand nombre de répéteurs• S’ils ne sont pas en série (arbre)
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Evolution ethernet
– Initialement 10Mb/s bande de base (half-duplex : CSMA/CD)• 10base5 sur coaxial « épais » (segments 500m max)• 10base2 sur coaxial fin (segments de 185m max)• répéteurs coûteux, 2 ports• + liens inter-répéteurs fibre• 10 base FL fibre optique (≤ 2km en PàP, half ou full duplex)
– Apparition du 10baseT• segments de 100m max sur 2 paires torsadées• Point à Point half ou full duplex (si pas de répéteur)• répéteurs avec nombreux ports (8, 16, …)• câblage systématique en étoile• répéteurs, câblage moins coûteux => expansion des LAN
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Evolution ethernet (2)
– Apparition du 100Mb/s « fast ethernet »• nécessité de diviser le délai max par 10• 100baseTX jusqu’à 100m sur 2 paires torsadées cat5• 100baseFX en fibre multimode
– jusqu’à 412m en half duplex (2km en FD)• possibilité Full-Duplex• possibilité auto-négociation (10 ou 100, Full ou Half)• Maximum 2 répéteurs classe II ou 1 répéteur « lent » classe I• => réseau de petit diamètre (205m max en cuivre)
– Généralisation des ponts/switchs/commutateurs ethernet• permettre de diviser le domaine de collision• interconnecter des débits différents
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Evolution ethernet (3)
– Apparition du 1000Mb/s « gigabit ethernet »• impossibilité de diviser encore le délai max par 10
– trames agrégées en burst si possible– sinon suivies de bourrage– => 4096 bits minimum– +> délai max conservé, mais pertes d’efficacité si petites trames– 1000baseTX (segment cuivre 100m)– 1000baseLX ou SX (fibre)
• En pratique surtout des switchs (plus de CSMA/CD)– Apparition du 10Gb/s
• plus de half duplex (donc ni répéteur ni CSMA/CD)• liens point-à-point entre machines ou switchs
– En cours : ethernet 100G …
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RJ45• Prise RJ45 4 paires torsadées• 2 paires utilisées par 10baseT, 100baseTX, 4 paires pour 1000base-T• Câble droit entre machine et hub ou pont• Câble croisé entre 2 machines (paire émission sur paire réception)
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Ex : câble 4 paires torsadées
Source : wikipedia, photo Christophe Jacquet
RLI 2011 60
câblage systématiqueprise bureau local câblagePC Câblage fixe
rocade
Hub, switch, routeur