Ethernet. Djoumé SALVETTI - djoume.salvetti@upmc.fr. 22 juin Problème : Comment faire pour communiquer à plus de 2?

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1 Ethernet Djoumé SALVETTI - djoume.salvetti@upmc.fr 22 juin 2007 Introduction Problème : Comment faire pour communiquer à plus de 2? Table des matières 1 Topologie de réseau 2 2 Adressage 3 3 Support physique 3 4 Codage de l information NRZ Manchester Codage 4B/5B Codage MLT Partage du media de transmission Le mode half-duplex Le mode full-duplex Format de la trame 13 1

2 1 Topologie de réseau Pour qu ils puissent communiquer, il faut que les différents noeuds du réseau soient reliés par des liens. La figure Fig.1 représente les différentes organisations ou topologies réseaux les plus utilisées. Fig. 1 Topologies réseaux Les critères de choix une topologie de réseau sont : le nombre de liens nécéssaires les conséquences de la panne d un noeud ou d un lien le coût de déploiement Le réseau linéaire (A) a pour avantage son faible coût de déploiement, mais la défaillance d un seul noeud ou lien peut scinder le réseau en deux sous réseaux. Le réseau totalement maillé (B) où chaque noeud est directement relié à tous les autres est surtout utilisé dans des applications militaires pour sa très grande tolérance aux pannes. Il est très peu utilisé dans le civil à cause de son très fort coût de déploiement et de maintenance (pour relier n noeuds, il faut n(n 1) 2 liens). Le réseau en anneau (D) peut représenter un bon compromis. Une panne (d un lien ou d un noeud) ne scinde pas le réseau en deux car chaque noeud est accessible par deux chemins. Mais le coût de déploiement est relativement élevé (il faut «ouvrir» le réseau pour ajouter un noeud). Les topologies les plus populaires actuellement sont la topologie en bus (E) utilisée par exemple dans le bus PCI et la topologie en étoile (C) utilisée par Ethernet. Dans les deux cas le coût de déploiement est relativement faible mais la panne du noeud central (C) ou du lien central (E) peut rendre le réseau inutilisable. Dans le cas d Ethernet l élément central est un concentrateur (hub) ou un commutateur (switch). Un Hub répète tout ce qu il reçoit en provenance d un lien sur tous les liens alors qu un switch ne répète l information que sur le lien où cela est utile. Remarque : il est possible de réaliser un réseau Ethernet entre deux ordinateurs sans utiliser de hub ou de switch en utilisant un cable croisé. - 2/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

3 2 Adressage Sur un réseau Ethernet, les ordinateurs sont donc reliés indirectement les uns aux autres à l aide de switch ou de hub et chaque noeud peut voir sur son lien des messages qui ne lui sont pas destiné. Problème : Comment savoir à qui s adresse un message? Pour cela on va attribuer une adresse MAC 1 à chaque ordinateur et ajouter les adresses MAC de l expéditeur et du destinataire à chaque message. Problème : Comment s assurer que deux éléments n ont pas la même adresse? Il faut avoir suffisament de possibilité, les adresses MAC des réseaux Ethernet sont sur 6 octets (48 bits) ce qui fait environ milliards d adresses MAC différentes. Il faut aussi avoir une méthode de choix dans cette plage d adresse disponible afin d éviter tout conflit. La RFC est la norme qui fixe (entre autres) les règles de choix des adresses MAC. Cette norme attribue les 3 premiers octets pour chaque fabricant d interface Ethernet, chaque fabricant s organise alors pour attribuer les 3 derniers octets de façon à ce que chaque interface Ethernet ait une adresse MAC unique. Exemple : dans l adresse 00 :0A :95 :D3 :E0 :CA, les 3 premiers octets (00 :0A :95) nous permettent de savoir que le constructeur est Apple. Remarques : Les interfaces réseau «voient» tous les messages mais elles ignorent ceux qui ne leur sont pas adressé, sauf si elles sont en mode promiscuous. L adresse MAC FF :FF :FF :FF :FF :FF est une adresse de diffusion ou de broadcast, elle signifie «tout le monde». Un ordinateur peut avoir plusieurs adresses MAC si il a plusieurs interfaces réseaux. Sur certaines carte réseau, on peut changer l adresse MAC attribuée par le constructeur (avec la commande ifconfig sous linux). 3 Support physique Ethernet offre plusieurs possibilités. Le cable coaxial fut très populaire aux débuts mais aujourd hui la fibre optique et les cables à paires torsadées sont les plus utilisés. 1 Media Access Control. Des adresses MAC sont également utilisées sur les réseaux Wifi ou Bluetooth /14 - djoume.salvetti@upmc.fr

4 Fig. 2 Comparaison de l atténuation de supports physiques - 4/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

5 Outre le coût, le principal critère de choix d un support physique est généralement sa résistance aux perturbations qui sont essentiellement de deux types les parasites et l affaiblissement. Les parasites, sont une modification locale de la forme du signal (bruit). Ils dépendent beaucoup de l environnement et de la nature du signal. L affaiblissement est une perte d énergie du signal, dissipé dans la ligne de transmission. Il se traduit par un signal de sortie plus faible que le signal d entrée et s exprime en db : A = 20log( Niveaudusignalensortie Niveaudusignalenentre ) L affaiblissement dépend de la longueur et du type de support, mais il dépend également beaucoup de la fréquence du signal transmis (voir Fig.2). Typiquement un fil de cuivre de 4/10 mm (ligne téléphonique) à une atténuation de 1,6dB/km à 800Hz (voix) et de 15dB/km à 300KHz (ADSL). Par comparaison une fibre optique a une atténuation de moins d 1 db/km à 1GHz. Nous allons étudier le support le plus commun aujourd hui à savoir le cable de catégorie 5 (voir Fig.3). Fig. 3 Cable UTP de catégorie 5 à connecteur RJ45 Un cable de catégorie 5 est constitué de 4 paires torsadées (Fig.4). Il peut être blindé (STP 3 ) ou non (UTP 4 ). Dans le cas d Ethernet 100BaseTX seule 2 paires sont utilisées pour la transmission d information (Fig.5). Les autres paires peuvent être utilisées pour transporter de l énergie (PoE 5 ). Ethernet 1000BaseT utilise quand à lui les 4 paires pour la transmission de données (250 Mb/s par paire). 3 Shielded Twisted Pairs 4 Unshield Twisted Pairs 5 Power Over Ethernet - 5/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

6 Un signal différentiel symétrique est utilisé sur les paires torsadée. On envoie sur un fil le signal et sur l autre le signal inverse. On reconstitue le signal à l arrivée en effectuant la différence des signaux. Cela permet de réduire la diaphonie (les flux electromagnétiques créés par des torsades successives s annulent) et d être moins sensible aux parasites (la perturbation étant de même valeur sur chaque fil elle sera annuler lors de la reconstitution du signal). Fig. 4 Paires d un câble réseau UTP Fig. 5 Cablage d un connecteur RJ45-6/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

7 Caractéristiques d un cable de catégorie 5 : permet de faire des réseaux Ethernet à 10Mbit/s (10BaseT), 100Mbit/s (100BaseTX) et 1Gbit/s (1000BaseT) ; atténuation < 22dB/100m pour une fréquence < 100MHz ; impédance caractéristique : 100 ±15Ω entre 1 et 100MHz. 4 Codage de l information Problème : Comment transmettre des 0 et des 1? On va «coder» cette information sous la forme d un signal possédant au moins 2 états, par exemple deux niveaux de tensions ou d intensité lumineuse. On choisit un type de codage afin d optimiser l utilisation du support (minimisation de l atténuation et maximisation du débit). Dans le cas de la liaisons asynchrone comme Ethernet (on ne transmet pas l horloge), le codage devra également permettre à l émetteur et au récepteur de faciliter leur synchronisation. 4.1 NRZ Le codage NRZ 6 est un codage très proche du codage binaire de base, il code un 1 par +V, un 0 par -V. Fig. 6 Codage NRZ Le Codage NRZ améliore le codage binaire de base en augmentant la différence d amplitude du signal entre les 0 et les 1 (ce qui minimise les effets de l atténuation). NRZ permet également de détecter la présence d un cable en forçant par exemple une tension négative au repos (RS232). Le débit maximum théorique est le double de la fréquence utilisée pour le signal : on transmet deux bits pour un hertz. 6 Non Return to Zero - 7/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

8 Il n est pas possible d utiliser un simple signal NRZ dans le cas d Ethernet car la transmission de longues séries de bits identiques (0 ou 1) provoquent un signal sans transition pendant une longue période de temps, ce qui peut engendrer une perte de synchronisation. 4.2 Manchester Principe : dans le codage Manchester, l idée de base est de provoquer une transition du signal pour chaque bit transmis. Un 1 est représenté par le passage de +V à V, un 0 est représenté par le passage de -V à +V. Fig. 7 Codage Manchester La synchronisation est toujours assurée, même lors de l envoi de longues séries de 0 ou de 1. Par ailleurs, un bit 0 ou 1 étant caractérisé par une transition du signal et non par un état comme dans les autres codages, il est très peu sensible aux erreurs de transmission. La présence de parasites peut endommager le signal et le rendre incompréhensible par le récepteur, mais ne peut pas transformer accidentellement un 0 en 1 ou inversement. Pour ces raisons Manchester est utilisé dans les réseau Ethernet 10Mbit/s. Toutefois, le codage Manchester présente un inconvénient : il nécessite un débit sur le canal de transmission deux fois plus élevé que le codage binaire. Pour 10 Mbit/s transmis, on a besoin d une fréquence à 10 Mhz. Pour cette raison Manchester n est pas utilisé pour des débits plus élevés. Afin de pouvoir atteindre des débits plus élevés il faut limiter la fréquence du signal tout en ayant suffisament de transistions, même lors de la transmission de longue série de 0 ou de 1. Pour cela on va utiliser deux codages simultanéments. - 8/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

9 4.3 Codage 4B/5B Principe : on utilise une table de transcodage (Fig.8) pour coder un groupe de 4 bits en 5 bits. La table permet de s assurer que le message à transmettre ne contiendra pas plus de 2 zéro consécutifs et pas plus de 4 un consécutifs. Fig. 8 Table de transcodage 4B/5B Le codage 4B/5B augmente la fréquence du signal. Par exemple 125Mhz pour 100Mbit/s (en TTL). Par ailleurs ce type de codage laisse un nombre important de mots de 5 bits inutilisés. Même en éliminant les groupes pouvant poser des problèmes de transmission comme par exemple, il reste des mots pouvant être utilisés pour le contrôle de la transmission ou d autres fonctions comme début ou fin de paquet par exemple. 4.4 Codage MLT3 Principe : Dans ce codage, seuls les 1 font changer le signal d état. Les 0 sont codés en conservant la valeur précédemment transmise. Les 1 sont codés successivement sur trois états : +V, 0 et V. Le principal avantage du codage MLT3 7 est de diminuer fortement la fréquence 7 MultiLevel Threshold-3-9/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

10 Fig. 9 Codage MLT3 nécessaire pour un débit donné grâce à l utilisation de 3 états. Pour 100Mbps de débit, une fréquence maximale du signal de 25Mhz seulement est atteinte. Les longues séquences de 0 peuvent entraîner une perte ou un déphasage de l horloge du récepteur. Les réseaux Fast Ethernet sur paires torsadées (100BaseTX) utilisent le codage 4B/5B associé au codage MLT3. On obtient alors une fréquence maximale du signal de 31,25MHz). Les réseaux Fast Ethernet sur fibre optique (100BaseFX) utilisent le codage 4B/5B associé au codage NRZI (une transition du signal pour chaque 1, pas de transition pour les 0, le traitement optique du signal n autorise que deux états). On obtient alors une fréquence maximale du signal de 62,5MHz. Les réseaux Gigabit Ethernet sur paires torsadées (1000BaseT) utilisent un codage 8B/10B (même principe que 4B/5B) associé à un codage PAM5 8 (5 niveau de tensions). 5 Partage du media de transmission Tous les éléments du réseau étant reliés à la même ligne de transmission, il est indispensable de définir des règles pour que tout le monde ne «parle» pas en même temps. Ethernet peut avoir deux modes de fonctionnement. 8 5-level (quinary) Pulse Amplitude Modulation - 10/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

11 Fig. 10 Algorithme du CSMA/CD - 11/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

12 5.1 Le mode half-duplex C est l objet du protocole CSMA/CD (voir Fig.10). Carrier Sense : écoute de la porteuse. Multiple Access : plusieurs stations peuvent émettre en même temps avec donc un risque de collision. Collision Detection : tout les stations peuvent détecter les collisions. Chaque machine vérifie qu il n y a aucune communication sur la ligne avant d émettre Si deux machines émettent simultanément, alors il y a collision. Les deux machines interrompent leur communication et attendent un délai aléatoire définit par l algorithme du Backoff, la première ayant passé ce délai peut alors réémettre. Pour une même trame, le temps d attente augmente à chaque collision. Si le nombre de collision dépasse un certain seuil (16) on considère qu il y a une erreur fatale. Algorithme Binary Exponential Backoff : Il a été conçu de façon à minimiser la file d attente en cas de trafic important et à réduire le nombre de collisions successives en cas de trafic important. Il consiste à tirer une variable aléatoire entière M telle que 0 M < 2 k, où k = min(n, 10) et où n est le nombre total de collisions subies par la station pour la trame considérée. Le délai d attente avant de tenter une nouvelle transmission est alors pris égal à M fois la fenêtre de collision. Lorsque n atteint 16, il y a abandon de la retransmission. Ainsi, le nombre aléatoire est d abord choisi dans l intervalle [0,1], puis [0,3] à la deuxième tentative, puis [0,7], et ainsi de suite jusqu à la 10ème tentative dans l intervalle [0,1023]. Ensuite, l intervalle reste celui-là jusqu à la 16ème tentative, avant de déclarer que le nombre de collisions est trop important et d abandonner la transmission. L utilisation du CSMA/CD a deux conséquences : 1. Pour ne pas qu une station puisse monopoliser le réseau, les trames doivent avoir une taille maximale (MTU 9 ) et il doit y avoir un temps d attente entre deux transmissions (IFG 10 ). 2. Pour que les éventuelles collisions soient détectées pendant l émission, les trames doivent également avoir une taille minimale et le réseau doit avoir une taille maximale. Ethernet fixe la taille minimale des trames à 64 octets, ce qui implique une taille maximale du domaine de collision de 2500m en 10Mbit/s et de 250m en 100Mbit/s. La taille maximale des trames est de 1518 octets. 9 Maximum Transmit Unit : taille maximale des données d une trame 10 Inter Frame Gap (ou IFS : Inter-Frame Spacing). Il vaut 96 bits, c est à dire 9, 6µs pour Ethernet 10Mbit/s, 0, 96µs à 100Mbit/s - 12/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

13 5.2 Le mode full-duplex Le mode full-duplex permet aux stations d échanger des données simultanément dans les deux sens sur une liaison point-à-point. De ce fait, la liaison double de débit. Une station 10 Mbps fonctionnant en full-duplex peut offrir une bande passante de 20 Mbps. Une station 100 Mbps offre une bande passante de 200 Mbps. En full-dpulex, il ne peut y avoir que 2 stations reliées en point-à-point. Il n y a plus de mécanisme de partage du média, les collisions ne peuvent avoir lieu et le protocole CSMA/CD est inutile. Les deux stations doivent être paramétrées et fonctionner en full-duplex. Le full-duplex offre de nombreux avantages : La bande passante est doublée en permettant l émission et réception simultannée. L efficacité de la liaison est meilleure en éliminant la possibilité de collisions Les segments ne sont plus limités en taille comme en half-duplex pour détecter les collisions. Par exemple, 100Base-FX est limité à 412 mètres par segment en half-duplex, mais peut supporter des longueurs de 2 km en full-duplex. 6 Format de la trame Préambule : 56 bits, suite de 0 et de 1, permet aux stations de se préparer à la réception de la trame. SFD : Start Frame Delimiter, délimiteur de trame, c est la séquence qui indique le début de la trame (l équivalent du bit de start d une trame : adresses MAC Longueur/Type : la longueur des données si inférieur à 1500 sinon le type de protocole qui est utilisé dans les données (0x0800 pour IP, 0x0806 pour ARP,...). Données : comprend au maximum 1500 octets, si inférieur à 46 octets, le champ Bourrage sera rempli en conséquence. FCS : Frame Check Sequence, permet de détecter les erreurs de transmission. Il contient un CRC Code a Redondance Cyclique - 13/14 - djoume.salvetti@upmc.fr

14 Fig. 11 Format des trames Ethernet standard (a) et 802.1q (b) - 14/14 - djoume.salvetti@upmc.fr