Réseau, Liaisons séries

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1 Réseaux Liaisons série Table des matières 1LIAISONS SÉRIES MODE DE COMMUNICATION D UNE LIAISON NORME V LIAISON V24 OU RS ETABLISSEMENT D UNE CONNEXION APPLICATION : CONVERTISSEUR DE CÂBLAGE DB9 DB NORME V11 - LIAISON RS422 ET RS CÂBLE DE LA LIAISON RS GESTIONS DE FLUX LOGICIEL GESTIONS DE FLUX MATÉRIEL. ET / SÉQUENCE DE TRANSMISSION MISE EN ŒUVRE D'UNE COMMUNICATION RS LIAISON IEEE 1394 (FIREWIRE) LE BUS USB (UNIVERSAL SERIAL BUS) PRÉSENTATION TYPES DE CONNECTEURS FONCTIONNEMENT DU BUS USB PROTOCOLE DE COMMUNICATION...12 Bibliographie Transmissions et réseaux ; Stéphane LOHIER et Dominique Présent ; DUNOD. Annexe 2 : épreuve de conception du BTS II ; Communication réseau ; la communication clientserveur. 1/12 P. TREBOSC

2 1 Liaisons séries Dans les liaisons séries les bits de données sont transmis à la suite les uns des autres. Les différence de performance principale de ce type de liaison par rapport aux liaisons parallèles sont : cadence d'horloge beaucoup plus élevée, car une interface parallèle ne supporte pas des fréquences trop élevées (dans une architecture à haut débit, les bits circulant sur chaque fil arrivent avec des décalages, provoquant des erreurs) ; les câbles série coûtent beaucoup moins cher que les câbles parallèles. Le Tableau 1.1 ci-dessous, résume les principales interfaces séries avec les normes qui s'y rapportent. Débits < 20 kbits/s > 20 kbits/s (réseau de type analogique) > 20 kbits/s (réseau de type numérique) Normes Mécaniques Electriques Fonctionnelles ISO 2110 CCITT V28 CCITT V24 (connecteur 25 broches) EIA RS232C ISO 2593 (connecteur 34 broches) ISO 4903 (connecteur 15 broches) CCITT V11 EIA RS422 (RS485) CCITT V11 EIA RS422 (RS485) CCITT V24 (RS449) CCITT X21 Tableau 1.1 : Interfaces liaisons séries On distingue les liaisons séries asynchrones et synchrones : Pour les liaisons séries asynchrones, l'intervalle de temps séparant deux caractères consécutifs peut être quelconque. L'horloge a les mêmes caractéristiques temporelles pour les deux équipements, mais elle n'est pas commune. Aucune information ne circule entre deux caractères, la synchronisation se fait par une reconnaissance au début du message (bit de Start) et à la fin (bit de Stop). Dans les liaisons séries synchrones, les bits forment un flot continu de données. On utilise une horloge commune entre l'émetteur et le récepteur (cela nécessite un fil de plus). Il existe une autre méthode qui consiste à utiliser un code autosynchronisant type Manchester dans lequel on prévoit un front de synchronisation par une déformation du signal. Caractéristiques RS232C RS423A RS422A RS485 Mode pour les données 1 fil 1 fil Différentiel Différentiel Nb émetteurs récepteurs max. 1 émetteur 1 récepteur 1 émetteur 10 récepteurs 1 émetteur 10 récepteurs 32 émetteurs 32 récepteurs Longueur maxi. du câble 15 m 1200 m 1200m 1200 m Débit maximum 20 kbauds 120 kbauds 10 MBauds 10 MBauds Tension de sortie en charge 5 V Min 15 V Max 3,6 V Min 6 V Max 2 V Min 5 V Max 1.5 Min 5 Max Sensibilité du 3 Volts 200 mv 200 mv 200 mv récepteur Plage de fonctionnement 15 V 7 V 7 V V Tableau 1.2 : Caractéristiques des liaisons séries 2/12 P. TREBOSC

3 2 Mode de communication d une liaison : Equipement terminal de traitement de données ou DTE (data terminal Equipment ). Ordinateur, terminal, imprimante... ETCD : Equipement de terminaison de circuit de données ou DCE (data communication Equipment ). Modem, multiplexeur... Liaison simplex : liaison possible dans un seul sens. Système A + ETCD Système B + ETCD Liaison Semi duplex (Half duplex) : liaison possible dans les deux sens non simultanément. Système A Système B Liaison duplex intégrale (Full duplex) : liaison possible dans les deux sens simultanément. Système A Système B 3 Norme V28 La norme V28 définit les caractéristiques électriques des signaux pour une liaison entre un port série PC et un modem en boîtier externe. niveau logique tension sur le câble 1-3 V à -25 V 0 +3 V à +25 V adaptation adaptation ETCD () câble Figure 1 : Adaptation électrique des signaux 3/12 P. TREBOSC

4 4 Liaison V24 ou RS232 Seule la liaison entre et ETCD est normalisée V24. Cependant, il est possible d établir une liaison RS232 entre 2, mais la connectique n est pas normalisée CCITT. 4.1 Etablissement d une connexion Normalisée V24 Ligne de transmission ETCD ETCD Liaison ETCD (câbles non croisés) ETCD Liaison 3 fils (câbles croisés) Null modem sans Hnadshaking Liaison 5 fils (câbles croisés) 4/12 P. TREBOSC

5 Liaison Null Modem La norme V24 est définit pour un connecteur 25 broches DB 25. Certains systèmes utilisent des connecteurs 9 broches (DB9) non normalisés. Autres cablâge : Null modem with loop back handshaking 4.2 Application : convertisseur de câblage DB9 DB25 DB9 DB25 Fonctions 1 8 Data carrier detect 2 3 Receive data 3 2 Transmit data 4 20 Data terminal ready 5 7 Signal ground 6 6 Data set ready 7 4 Request to send 8 5 Clear to send 9 22 Ring indicator Ces câblages sont fixés par les constructeur et donné dans les documentations. Sans ces informations établir une communication série relève du "miracle". 5/12 P. TREBOSC

6 5 Norme V11 - Liaison RS422 et RS485 La liaison nécessite 2 fils par ligne correspondant à des niveaux complémentaires pour établir une liaison différentielle (Figure 2). Ce principe permet une tension différentielle équilibrée, ce qui limite l'influence des sources de bruits extérieurs et des masses : les impulsions parasites dues aux champs électriques parasites apparaissent sur les deux fils donc la différence de potentiel présente sur le récepteur est peu perturbée ; les forces électromotrices induites par les champs magnétiques dans la boucle fermée et qui se superposent au signal sont compensées. Par conséquent, on peut envisager des liaisons de plus grandes distances et de débits plus élevés que pour la liaison série RS232C. Cette norme prévoit des circuits 3 états qui rendent possible des liaisons multipoints, 32 émetteurs - récepteurs peuvent être connectés sur une ligne. adaptation adaptation ETCD () câble Figure 2 : Adaptation électrique des signaux Le circuit de jonction équivalent est représenté dans la Figure 3 : le câble fait partie de l' (Equipement Terminal de Traitement de Données), le point de jonction C correspond à la référence 0 V et peut être connecté au circuit de terre, l'utilisation d'une résistance de terminaison de câble Z t est optionnelle et dépend de l'application ; elle permet, en adaptant l'impédance de la charge, de conserver le temps de montée du signal et de réduire les réflexions. Point de jonction Générateur Charge câble et A ETCD G Z t ( 100( R B V AB C Figure 3 : Circuit de jonction équivalent 6/12 P. TREBOSC

7 Les principales caractéristiques de la norme sont résumées dans la Figure 4. Caractéristiques Min Max V AB Niveau significatifs Tension du générateur en 6 V + 6 V Niveau circuit ouvert (V AB ) logique 0 Courant de sortie 150 ma (circuit ouvert) en court-circuit (I o ) Résistance interne V du générateur -0.3 V zone de transition Résistance totale de la charge 100 Niveau logique 1 Support paire différentielle (circuit ouvert) Vitesse 10 Mbits/s - 6 V Longueur du câble 10 m à 1 km Figure 4 : Principales caractéristiques de la liaison RS485 6 Câble de la liaison RS485 Le câblage des connecteurs 9 broches d'une liaison RS485 est donné dans la Figure 5 Pour des liaisons Half duplex et full duplex. Half Duplex Communication Bidirectionnelle non simultanée #1 TxD- TxD- #4 RxD- RxD- #2 TxD+ TxD+ #3 RxD+ RxD+ #5 Figure 5 : connexion RS485 - ETCD Pendant les transmissions, il est possible de perdre des données ce qui, en soit, n est pas irrémédiable si l équipement est capable de détecter ces erreurs. Pour cela, je donne deux protocoles de gestion de flux : Xon / Xoff et ACK / NAK. Les deux conducteurs de la paire doivent être connectés de la même façon à tous les émetteurs - récepteurs. 7 Gestions de flux logiciel #1 TxD- TxD- #4 RxD- RxD- #2 TxD+ TxD+ #3 RxD+ RxD+ #5 Full Duplex Communication Bidirectionnelle et simultanée Protocole Xon / Xoff : Ce protocole est utilisé lorsque la vitesse de transmission de données est plus élevée que la vitesse de réception. Lorsque son tampon est presque plein, le récepteur demande la suspension de la transmission en envoyant le caractère Xoff (DC1 ou h11) sur la ligne. L émission du caractère Xon (DC3 ou h13) sur signifie que le tampon est à nouveau disponible et que l émission peut reprendre. Les systèmes Unix utilisent ce type de protocole. Protocole ACK / NAK : La liaison doit être bidirectionnelle, ce protocole est adapté aux liaisons à longue distance. Ce protocole de type envoyer et attendre fonctionne en deux étapes : Une station A envoie une trame à une station B. La station A cesse d'émettre et attend que la station B envoie un acquittement ACK si elle a reçu la trame sans erreurs (Parité, Checksum, CRC, commande inconnue...). Si elle a détecté une erreur, elle retourne un acquittement négatif NACK ce qui provoque une retransmission de la station A. 7/12 P. TREBOSC

8 8 Gestions de flux matériel. et / Ce protocole est appliqué entre 2. On relie le signal de l'émetteur au du récepteur. Les changements d'état du signal sur la ligne indique l'état du tampon du récepteur. Exemple : Ordinateur vers imprimante. Signal état haut : tampon presque plein Interruption de la communication Signal état haut : tampon disponible reprise ou communication possible Les signaux et peuvent être utilisés suivant le même principe. 9 Séquence de transmission Pour vérifier les caractéristiques et le bon fonctionnement d'une liaison série, il faut visualiser le signal présent sur la ligne avec un oscilloscope par exemple. Par exemple, pour la transmission d'un caractère sans bit de parité mais avec bit de stop, on obtient : d0 Data1 D7 start Stop start stop A noter : Que les données se lisent de gauche (poids faible) à droite (poids fort) que le bit de start et le bit de stop sont inversés. L'état de repos correspond au niveau logique haut (tension négative sur le câble) Le bit de start correspond à un niveau logique bas La fin de la transmission d'un caractère est signalé par un ou deux bits de stop correspondant au niveau logique haut Le récepteur détecte la trame grâce au premier front descendant généré par le bit de start qui apparaît sur un état repos de la ligne. Contrôle de l'émission par test de la parité Pour vérifier que la transmission d'un bit est correcte, on peut utiliser la détection de parité (facultative). Le bit de parité est généré à l'émission et testé à la réception. parité paire (even) : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit paire sur l'ensemble donné + bit de parité ex : soit la donnée contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 1, ramenant ainsi le nombre de 1 à 6. parité impaire (odd) : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit impaire sur l'ensemble donné + bit de parité ex : soit la donnée contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 0, laissant ainsi un nombre de 1 impaire.. Deux erreurs de parité complémentaire s'annulent et le contrôle est inutile. Exemple de configurations d'une liaison série RS232 : 4800, 8, n, 1 : 4800 bauds, 8 bits de données, pas de parité (no), 1 bit de stop 600, 7, p, 2 : 600 bauds, 7 bits de données, 1 bit de parité, 2 bits de stop. 8/12 P. TREBOSC

9 10 Mise en œuvre d'une communication RS 485 Les ports RS 485 ne sont pas disponibles sur les PC. Il faut donc rajouter un élément sur la carte mère. Les fabriquants de carte RS485 fournissent généralement un pilote (adapté au système d'exploitation) qui fournit la couche 2 et qui simplifie la mise en œuvre. L'utilisation de ce driver permet de voir la liaison RS485 comme un port série du PC. La programmation se fait suivant le même principe que pour une liaison RS232 du PC à la différence près que l'on peut émettre une suite d'octets, c'est à dire une trame. La configuration de la communication série se fait donc en paramétrant la structure DCB. typedef struct _DCB { // dcb DWO DCBlength; // sizeof(dcb) DWO BaudRate; // current baud rate DWO fbinary: 1; // binary mode, no EOF check DWO fparity: 1; // enable parity checking DWO foutxctsflow:1; // output flow control DWO foutxdsrflow:1; // output flow control DWO fdtrcontrol:2; // flow control type DWO fdsrsensitivity:1; // sensitivity DWO ftxcontinueonxoff:1; // XOFF continues Tx DWO foutx: 1; // XON/XOFF out flow control DWO finx: 1; // XON/XOFF in flow control DWO ferrorchar: 1; // enable error replacement DWO fnull: 1; // enable null stripping DWO frtscontrol:2; // flow control DWO fabortonerror:1; // abort reads/writes on error DWO fdummy2:17; // reserved WO wreserved; // not currently used WO XonLim; // transmit XON threshold WO XoffLim; // transmit XOFF threshold BYTE ByteSize; // number of bits/byte, 4-8 BYTE Parity; // 0-4=no,odd,even,mark,space BYTE StopBits; // 0,1,2 = 1, 1.5, 2 char XonChar; // Tx and Rx XON character char XoffChar; // Tx and Rx XOFF character char ErrorChar; // error replacement character char EofChar; // end of input character char EvtChar; // received event character WO wreserved1; // reserved; do not use } DCB; La mise en œuvre peut se faire en utilisant les API Windows : CreateFile : crée un flux et retourne un HANDLE GetCommState : Acquisition de la structure DCB en cours sur le PC SetCommState : Paramétrage de la structure DCB PurgeComm : Purge les tampons d'émission ReadFile : Réception des données sur le port WriteFile : écriture des données sur le port CloseHandle : faire le HANDLE affecté au port Pour tester une communication respectivement en émission ou en réception, on peut utiliser un hyperterminal en réception ou en émission. 9/12 P. TREBOSC

10 11 Liaison IEEE 1394 (Firewire) Le bus FireWire standard IEEE 1394 est destiné aux outils multimédia (caméscope numérique, synthétiseurs, disques durs, lecteurs optiques de CD ou DVD). Les connexions peuvent être établies à chaud (hot plug) sans avoir à redémarrer l'ordinateur. Caractéristiques Valeurs Nombre d'éléments reliés au même ordinateur 63 Débit maximal standard Energie fournit aux appareils Longueur maximum de raccordement Longueur total bout en bout 393 Mbits/s et 800 Mbits/s 24 Volts 15 watts de puissance 4,5 m par segment 72 m Le protocole peut gérer des transfert en : asynchrone basé sur une transmission de paquets à intervalles de temps variables isochrone basé sur une transmission de paquets à intervalles de temps réguliers cadencés grâce aux signaux d'horloge. Fonctions du protocole de transfert : Arbitrage qui pour le noeud concerné de demander le contrôle du bus. Transmission de paquet de données avec l'émission d'une entête (préfixe, adresses des noeuds source et destination, code de transaction, somme de contrôle...) et des données. acquittement géré par le récepteur qui indique la bonne réception des données. 12 Le bus USB (Universal Serial Bus) Source : présentation La première norme USB date de 1995, présente les avantages suivant par rapport aux ports séries standards : plus rapide, le standard USB 1.0 propose deux modes de communication : 12 Mb/s en mode haute vitesse, 1.5 Mb/s à basse vitesse. le standard USB 2.0 peut atteindre 480 Mbit/s. Connexion à chaud d une grande variété de périphériques. Logo USB 1 Logo USB 2 10/12 P. TREBOSC

11 La compatibilité entre périphériques USB 1.0, 1.1 et 2.0 est assurée. Toutefois l'utilisation d'un périphérique USB 2.0 sur un port USB à bas débit (i.e. 1.0 ou 1.1), limitera le débit à 12 Mbit/s maximum. De plus, le système d'exploitation est susceptible d'afficher un message expliquant que le débit sera bridé Types de connecteurs Il existe deux types de connecteurs USB : Les connecteurs dits de type A servant généralement pour des périphériques peu gourmands en bande passante (clavier, souris, webcam, etc.) ; Les connecteurs dits de type B utilisés principalement pour des périphériques à haut débit (disques durs externes, etc.) Fonctionnement du bus USB 1 Alimentation +5V (VBUS) 100 ma 15 W maximum 2 Données (D-) 3 Données (D+) 4 Masse () La norme USB permet le chaînage des périphériques avec les topologies suivante : en bus en étoile. Les périphérique sont raccordés sur des boîtiers appelés «hubs» ( concentrateurs), comportant une seule entrée et plusieurs sorties. Certains sont actifs (fournissant de l énergie électrique), d autres passifs (alimentés par l'ordinateur). 11/12 P. TREBOSC

12 12.4 Protocole de communication La communication entre l hôte (l ordinateur) et les périphériques se fait selon un protocole basé sur le principe de l anneau à jeton (token ring). Cela signifie que la bande passante est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. L hôte (l'ordinateur) émet un signal de début de séquence chaque milliseconde (ms), intervalle de temps pendant lequel il va donner simultanément la «parole» à chacun d entre eux. Lorsque l hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet un jeton (un paquet de données, contenant l adresse du périphérique, codé sur 7 bits) désignant un périphérique, c'est donc l'hôte qui décide du «dialogue» avec les périphériques. Si le périphérique reconnaît son adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données (de 8 à 255 octets) en réponse, sinon il fait suivre le paquet aux autres périphériques connectés. Les données ainsi échangées sont codées selon le codage NRZI. Puisque l adresse est codée sur 7 bits, 128 périphériques (2^7) peuvent être connectés simultanément. Il convient en réalité de ramener ce chiffre à 127 car l adresse 0 est une adresse réservée. (cf plus loin). A raison d'une longueur de câble maximale entre deux périphériques de 5 mètres et d'un nombre maximal de 5 hubs (alimentés), il est possible de créer une chaîne longue de 25 mètres! Les ports USB supportent le Hot plug and play. Ainsi, les périphériques peuvent être branchés sans éteindre l ordinateur (branchement à chaud, en anglais hot plug). Lors de la connexion du périphérique à l hôte, ce dernier détecte l ajout du nouvel élément grâce au changement de la tension entre les fils D+ et D-. A ce moment, l ordinateur envoie un signal d initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui fournit du courant grâce aux fils et VBUS (jusqu à 100mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique et récupère temporairement l adresse par défaut (l adresse 0). L étape suivante consiste à lui fournir son adresse définitive (c est la procédure d énumération). Pour cela, l ordinateur interroge les périphériques déjà branchés pour connaître la leur et en attribue une au nouveau, qui en retour s identifie. L hôte, disposant de toutes les caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié. 12/12 P. TREBOSC