Chapitre 10. LAN à grande/haute vitesse 10-1

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1 Chapitre 10 LAN à grande/haute vitesse 10-1

2 Contenu Ethernet Token ring Canal fibre 10-2

3 LAN à haute vitesse Conception de LAN à grande/haute vitesse : Ethernet rapide et à Gigabit Extension du CSMA/CD de 10-Mbps aux hautes vitesses Canal fibre Approche économique, calibrée à l obtention de hauts débits de données dans le LAN LAN sans fil à haute vitesse 10-3

4 LAN à haute vitesse

5 Nécessité du LAN à haute vitesse Le LAN de base fournit une connectivité basique Connections de PCs et terminaux aux mainframes et systèmes d applications de corporations Connections aux niveaux de départements et groupes de travail Concentrer sur le transfert de fichiers et courriels La puissance et vitesse des PCs ont augmenté Applications graphiques-intensives et GUIs Reconnaissance de l essentialité du LAN Approche des services client/serveur Architecture dominante de l environnement de travail Intra-réseaux Transfert fréquent de larges volumes de données 10-5

6 Ethernet (CSMA/CD) Carriers Sense Multiple Access avec détection de collision L Ethernet a été développé par Xerox puis amélioré par DEC et Intel. De standard IEEE Ether: médium qui devait occupé l espace et supporter la propagation des ondes électromagnétiques et donc jouait le rôle d une couche physique. 10-6

7 Format d un frame IEEE et Ethernet II Winter 2008 CEG

8 Format d une frame Ethernet Format de la frame : (taille en octets) S Dest. Source. Frame Preamble F data CRC D Addr. Addr. length* Préambule: alternatives 0 et 1 pour la synchronisation SFD: Délimiteur du début de la frame --> Le préambule et le SFD ne sont pas inclus dans le calcule du CRC, et ne font pas partie de la frame. Les adresses source/destination : adresses hardware de 48- bit (attribuées par by IEEE aux vendeurs de composantes Ethernet) Longueur de frame : nombre d octets dans le champs le code des données OU dans le code qui indique le protocole de la couche supérieure 10-8

9 Les adresses Ethernet Code de 48 bits / 6 octets, normalement exprimé en 6 paires de bits hexadécimales séparées par des tirets Exemple: 00-0A-E B Le dernier bit du premier octet de l adresse de destination indique le type de transmission: 0: unicast: une source, une destination 1: multicast : une source, plusieurs destinations Une adresse multicast doit inclure le groupe Une diffusion (broadcast) à toutes les stations d un LAN: tous des 1 : FF-FF-FF-FF-FF-FF 10-9

10 Le champ de longueur de la frame Le champ de longueur de la frame est aussi utilisé comme indicateur de protocole de la couche supérieure lorsque plusieurs protocoles de couches supérieures sont utilisés. Si sa valeur est 1516 ou moins (1500 octets de données, plus les adresses, plus le CRC), elle est interprétée comme étant la taille de la frame. Si sa valeur est 1536 ou plus, elle représente le code de protocole du type de la couche de données supérieure contenu dans la frame. Codes communs: = : Paquets de protocole d internet (IP) = : Paquets de protocole de résolution d adresse (ARP) 10-10

11 Les variances d Ethernet (I) 10Mb/s ( 10base ): Encodage Manchester de la couche physique 10Base5: (IEEE 802.3) Bus avec du gros câble coaxial Longueur maximale : 500 mètres minimale ~2.5 mètres entre les stations 10Base2: (IEEE 802.3a) Bus avec du câble coaxial mince Longueur maximale : 185 mètres Minimale ~ 0.45 mètres entre les stations 10BaseT: (IEEE 802.3i) Un hub central avec du câble UTP et une topologie étoile Longueur maximale : 100 mètres 10-11

12 Specifications du 10Mbps (Ethernet) 10-12

13 10BASE

14 10BASE

15 10BASE-T 10-15

16 Les variances d Ethernet (II) 100Mb/s ( 100base, Ethernet Rapide ) (IEEE 802.3u) 100BaseTX: Utilise 2 câbles UTP Longueur maximale : 100 mètres Encodage: 4B/5B plus MLT-3 MLT-3: transmission de ligne à niveaux multiples (3-niveaux) Cycle à travers les états dans l ordre -, 0, +, 0, -, etc. Bit de donnée 0 : reste à l état actuel Bit de donnée 1 : se déplace à l état suivant du cycle 100BaseFX: Utilise la fibre optique Longueur maximale : 136 mètres Encodage: 4B/5B plus NRZI 100BaseT4: Un hub central avec du câble UTP et une topologie étoile Longueur maximale : 100 mètres Encodage: 8B/6T 10-16

17 100Mbps (Ethernet rapide) 10-17

18 100Mbps (Ethernet rapide) 10-18

19 100BASE-FX 10-19

20 Ethernet à commutation Full-Duplex 10-20

21 100BASE-T

22 Les variances d Ethernet (III) 1000Mbs ( 1000base, Gigabit Ethernet ) (IEEE 802.3u) 1000BaseT: (IEEE 802.3ab) Utilise 4 paires de câble UTP Longueur maximale : 100 mètres Encodage : complexe, 4D-PAM5 1000BaseLX: (IEEE 802.3z) Utilise la fibre optique aux ondes-hautes Longueur maximale : 550 à 5000 mètres en fonction de la fibre Encodage: 8B/10B + NRZ 1000BaseSX:(IEEE 802.3z) Utilise la fibre optique aux ondes-courtes Longueur maximale : 220 à 550 mètres en fonction de la fibre Encodage: 8B/10B + NRZ 10-22

23 L Ethernet gigabit L Ethernet gigabit garde le protocole CSMA/CD et le format Ethernet de ses prédécesseurs, les 10-Mbps et 100- Mbps. Il est compatible avec 100/10BASE-T

24 Accès multiple Un canal de communication de diffusion singulier partagé pour un réseau à points multiples. Un algorithme distribué détermine la façon dont les accède le canal : quand et comment une station peut to transmettre. La communication partagée doit utiliser le même canal. Médium de contrôle d accès (MAC) Trois catégories de protocoles de contrôle d accès : Accès aléatoire Accès contrôlé Canalisation 10-24

25 Accès aléatoire Les stations accède le médium aléatoirement Collisions (contention de transmission de frames par 2 stations ou plus) peuvent se produire. Des méthodes sont nécessaires pour : Identifier quand essayer ou ne pas essayer de transmettre. Détecter les collisions Résoudre les collisions 10-25

26 Accès multiple : ALOHA Le protocole ALOHA a été développé dans les années 70 à l université d Hawaii pour une application sans fil avec les propriétés suivantes : Stations multiples éloignées plus une station de base. Les transmissions de frames se font sur une fréquence à partir d une station éloignée vers la station de base; la station de base rediffuse les frames sur une autre fréquence. Il peut y avoir contention lors de l accès de la station de base

27 ALOHA Lorsqu une station a une frame, elle l envoie à la station de base. Les stations sont à l écoute le temps d un parcours allez/retour plus un extra délai Si l ACK est reçu, OK, sinon elle retransmet Si aucun ACK n est reçu après des retransmissions répétées, elle abandonne Si la frame est OK et que les adresses correspondent, un ACK est envoyé Peu utilisé 10-27

28 ALOHA à créneaux Les créneaux horaires sont égaux au temps de transmission de la frame Nécessite une horloge centrale (ou tout autre mécanisme de synchronisation) La transmission débute au bord d un créneau Meilleur utilisation 10-28

29 Collisions d accès multiples Si plus d une station diffuse en même temps sur la même fréquence de la station de base, une collision interférence détruira les frames et la station de base n envoie pas d avis de réception. L implication d un délai aléatoire après une collision devrait causer les divers stations éloignées à rediffuser (avec un peu de chance) à différents temps pour éviter de nouvelles collisions. Deux stratégies de collision : Les éviter Détecter leurs occurrences 10-29

30 Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Dans cette approche, chaque station est responsable de superviser l état du médium de transmission durant et après chaque transmission de frame. Si le médium de transmission est déjà en usage, la station ne pourra pas envoyer de frame. Si le médium est disponible, la transmission peut débuter. Des collisions peuvent toujours se produire à cause des propagation de délais. Si une collision se produit, elle doit être résolue

31 Supervision de médium de transmission Lorsque le senseur d une station indique que le médium est en usage, cette station ne peut pas transmettre

32 Collision due à un propagation de délai Une station qui transmet sur un médium partagé doit continuer à superviser la détection d une collision durant la transmission. Cette procédure est connue sous l appellation de CSMA/CD CD = détection de collision 10-32

33 Garantie de détection de collision Toute transmission doit être suffisamment longue pour qu une collision puisse être détectée par n importe quel station. La durée d une transmission doit être au moins le double du délai de propagation entre les stations les plus éloignées

34 Resolution de collision Lorsqu une collision est détectée : 1. On envoie un signal d encombrement (jamming). 2. On arrête toute transmission. Connue sous l appellation Backoff. 3. On choisit un chiffre aléatoire r compris entre 0 et d, et après un délai r, on vérifie si le médium est disponible. S il l est, on transmet S il est en usage, on attend jusqu à ce qu il soit disponible. 4. Si une collision se produit, on réessaye d envoyer la même frame et on répète les étapes 1, 2, et 3. On mémorise le compte d essais; lorsque le nombre maximum de tentatives est atteint (souvent 15), on avorte. Exponentiel Backoff: le maximum 10-34

35 Resolution de collision 10-35

36 CSMA Non-persistant Y Transmit Idle? N Random backoff 1. Si le médium est en attente, transmettre; sinon, va au 2 2. Si le médium est occupé, attendre le temps qui est déterminée par la distribution de probabilité (délai de retransmission) et répète 1 Les délais aléatoires réduisent la probabilité de collision Si deux stations sont prêtes à transmettre en même temps Alors qu une autre transmission est en progrès Si les deux ont le même temps de délai, elles essaieront de retransmettre aussi en même temps Perte de capacité quand le médium reste en attente à la fin d une transmission Même dans le cas où une ou plusieurs stations attendent 10-36

37 CSMA 1-persistant Pour éviter le temps de canal d attente, le protocole 1-persistant est utilisé Les stations voulant transmettre sont à l écoute et procèdent de la façon suivante : Si le médium est en attente, transmettre; sinon va à la prochaine étape Si le médium est occupé, détecter qu il soit en attente puis transmettre immédiatement Si deux ou plusieurs stations sont en attentes il en résulte automatiquement une collision 10-37

38 N CSMA p-persistant Idle? Tentatives de réduction de collisions 1-P Similaire au mode non-persistant P Et réduction du temps d attente Transmit Delay Similaire au mode1-persistant Règles: 1. Si le médium est en attente, transmettre avec la probabilité p, et retarder d une unité de temps avec une probabilité (1 p) L unité de temps est typiquement le délai maximum de propagation Si le médium est occupé, détecter l attente et répéter l étape 1 2. Si la transmission est retardée une unité de temps, répéter l étape 1 Quelle valeur effective peut prendre p? Y 10-38

39 Valeurs possibles de p? But : éviter toute instabilité durant une grosse charge de travail n stations attendent d envoyer A la fin d une transmission, le nombre prévu de stations voulant transmettre est égale au nombre de stations fois la probabilité de temps de transmission np Si np > 1, en moyenne il y aura une collision Des tentatives de transmission garantissent plus de collisions Les tentatives répétées concurrencent avec les nouvelles transmissions Eventuellement si toutes les stations essaient d envoyer Collisions Continues et donc aucun acheminement est possible Donc np < 1 pour des piques prévus n Si une large charge est prévue, p est petit Par contre, plus p est petit, plus les stations attendent Les petites charges causent de longs délais 10-39

40 Backoff binaire exponentiel Tentatives répétées de transmission lors de collisions répétées la valeur moyenne du délai aléatoire est doublée durant les 10 premières tentatives Puis reste constante durant les 6 tentatives suivantes Après 16 tentatives sans succès, la station abandonne et reporte une erreur A cause de la congestion accrue, les stations s abstiennent d envoyer pour réduire la probabilité de collision. Le mode 1-persistant avec le backoff binaire exponentiel est efficace dans divers types de charges Petites charges: la station est garantie de saisir la canal en attente Grosses charges: aussi stable que les autres techniques L algorithme Backoff fournit un effet de last-in/first-out Les stations avec le moins de collisions transmettent les premières 10-40

41 Quel mode de persistance utilisé? IEEE utilise le mode1-persistant Les deux, modes non-persistant et p-persistant, ont des problèmes de performance 1-persistant (p = 1) semble plus instable que le p-persistent Implique trop de stations La perte de temps due aux collisions est courte (si les frames sont longues relativement au délai de propagation) Le backoff aléatoire, prévient la collision répétée Pour s assurer que le backoff maintient la stabilité, IEEE et Ethernet utilisent le backoff binaire exponentiel 10-41

42 Accès contrôlé Objectif: s assurer qu une seule station ait le droit d émettre à n importe quel moment. Méthodes: Réservation: une station doit réserver un créneau horaire avant d émettre. Polling; une station primaire demande à chaque station secondaire si elle souhaite émettre une frame de données. Passage du Token : une frame spéciale, appelée token, est passée d hôte à hôte. Seul l hôte ayant le token peut transmettre une frame de données. Si un hôte n a pas de donner à transmettre, il doit passer immédiatement le token a un autre hôte. Approche alternative : un hôte peut garder le token pendant un certain intervalle de temps maximum avant de le passer

43 Token Ring (802.5) 10-43

44 L opération du Ring Chaque répéteur se connecte aux autres via des liaisons de transmission unidirectionnelles Parcours fermé singulier Les données sont transférées bit par bit d un répéteur au suivant Le répéteur régénère et retransmet chaque bit Le répéteur fait de l insertion, réception et l extraction de données Le répéteur agit comme un point d attachement L extraction du paquet est fait par le transmetteur après un parcours autour du ring 10-44

45 Le protocole MAC Une petite frame (token) circule dans le mode d attente Chaque station attend le passage du token Il modifie un bit dans le token indiquant le début de la frame de données Il appende le reste à la frame La frame fait le tour puis est absorbée par la station qui a transmis Puis la station insère un nouveau token une fois la transmission finie et que la frame est revenue Quelque peu inefficace sous une charge légère Utilise le Round-robin pour une grosse charge 10-45

46 Canalisation Les techniques de multiplexage de la couche physique peuvent être utilisées sur la couche de liaison de données : Accès multiples en divisions fréquentielles (FDMA) Chaque station est attribuée une fréquence spécifique. Le FDM est utilisé dans la couche physique. Accès multiples en divisions temporelles (TDMA) Chaque station est attribuée son propre créneau horaire pour transmettre, utilise TDM dans la couche physique. Accès multiples en divisions de codes (CDMA) Utilise des techniques d encodage pour multiplexer plusieurs signaux

47 CDMA Chaque station est attribuée une séquence de nombres, référée par une puce. Exemples: A: +1, +1, +1, +1 B: +1, -1, +1, -1 C: +1, +1, -1, -1 D: +1, -1, -1, +1 Les séquences des puces sont sélectionnées avec attention (orthogonale)

48 Transmission avec CDMA Règle d encodage pour une chaine de données : Bit de données 0: encodé par -1 Bit de données 1: encodé par +1 Aucune données à envoyer : encodé par 0 Transmission: Chaque station A, B, C, D prend son bit suivant de données, l encode par un -1, +1, ou 0; et multiplie ce code par chaque nombre de la séquence de la puce pour obtenir un 4-tuple. Les 4-tuples sont additionnés et leur somme est transmise. Les valeurs varieront de -4 à +4, 9 niveaux d encodage de la couche physique sont donc nécessaires

49 Multiplexage CDMA 10-49

50 Décodage CDMA L entrée du démultiplexeur est une valeur 4-tuple comprise entre -4 et +4. Chaque station prend les quatre valeurs et les multiplie par la séquence de la puce. Les valeurs qui en résulte sont additionnée pour obtenir une valeur singulière. Le résultat sera toujours -4, +4, ou 0. On divise le résultat par 4 pour obtenir -1, +1, ou 0. Ce qui est interprété en un bit de données 0, 1, ou une absence de données

51 Démultiplexage CDMA 10-51

52 Réseau à canaux fibres Le canal fibre est une technologie de transmission de données entre ordinateurs à un débit de données atteignant 1 à 2 Gbps (et 10 Gbps dans un futur prochain)

53 Cinq applications à canaux fibre 10-53