2.3 Réseaux locaux 2.3 Réseaux locaux Des LANs et d`Ethernet en

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2A – SI
2 - Architecture des systèmes de
communication
2.3 – Réseaux locaux
Stéphane Vialle
Stephane.Vial[email protected]
http://www.metz.supelec.fr/~vialle
Support de cours élaboré avec l’aide de l’équipe pédagogique du cours de SI 2
•Normalisation IEEE 802
•IEEE 802.3 Ethernet
•Principes d’accès au réseau
•Méthode d’accès CSMA/CD
•Format de trame
•Ethernet et ses supports
•Ethernet commuté
•IEEE 802.11 WiFi
•Topologie
•Portées
•Interopérabilité
•Aperçu du token ring (IEEE 802.5)
2.3 Réseaux locaux
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2.3 Réseaux locaux
•Normalisation IEEE 802
• IEEE 802.3 Ethernet
•Principes d’accès au réseau
• Méthode d’accès CSMA/CD
• Format de trame
• Ethernet et ses supports
• Ethernet commuté
• IEEE 802.11 WiFi
• Topologie
• Portées
• Interopérabilité
•Aperçu du token ring (IEEE 802.5)
Des LANs et d’Ethernet en
particulier
Pourquoi étudier le protocole Ethernet :
• C’est le protocole de réseaux locaux (LAN) le plus
répandu
• Il permet de comprendre les problématiques posées
aux niveaux 1 et 2 du modèle OSI
• Il permet de comprendre les caractéristiques
communes aux réseaux locaux
• Il a su évoluer et se transformer pour devenir un
protocole incontournable dans les réseaux locaux
filaires, sans-fils et même dans les réseaux distants
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Petit historique
1970: AlohaNet, réseau sans-fil de l’université d’Hawai
• Média partagé « l’ether » entre les participants
1973: Xerox reprend les principes d’Alohanet et invente
Ethernet (10Mbps filaire)
• Ethernet v2 en 1982, ensuite normalisé « 802.3 » en 1983
1985: IBM normalise Token-Ring à 4Mbps (802.5)
1986: FDDI 100Mbps (Fiber Distributed Data Interface)
1995: Naissance de Fast Ethernet (802.3u)
1997: naissance du WIFI (802.11) et généralisation des
commutateurs Ethernet
• Mode Full-duplex, et services complémentaires VLAN, QoS
1998: Naissance de Gigabit Ethernet (802.3z, 802.3ab,…)
2002: Naissance de 10 Gigabit Ethernet (802.3ae)
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Les caractéristiques des LANs
Caractéristiques communes à tous les LAN
• Réseau multipoint
• Support de la diffusion
• Format d’adresse « MAC »
Caractéristique spécifique
• Méthode d’accès au support partagé
• CSMA/CD pour l’Ethernet d’origine
• Jeton pour Token-Ring et FDDI, …
•…
Evolutivité grâce à un effort de normalisation (IEEE 802)
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Adresse
de diffusion
Adresse
de diffusion
Adresse
de diffusion
LAN
Trame

2
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Normalisation IEEE 802
Adresse MAC
Adresses physiques / MAC :
- Adresses des cartes d’interface réseau (NIC)
-Adresses MAC – OSI niveau 2
- Une adresse unique par carte (toutes différentes)
-Adresses NON recyclées (théoriquement)
- Adresse sur 48 bits : 219×1012 adresses possibles
- Adresses pour carte Ethernet ou Token-Ring ou …
Mais certaines cartes
permettent de redéfinir leur
adresse MAC !!!
- Bien pour résoudre des pbs
de licences.
- Mais pose d’autres pbs
Au départ les adresses MAC sont
réparties par fabricants, par tranches:
Mais après rachat d’une autre
société…ça se complique
Normalisation IEEE 802
Adresse MAC
L’adresse physique / MAC est aussi appelée adresse
Ethernet dans le cas de ce réseau
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Individuelle / Diffusion
Format d ’une adresse MAC (6 octets)
Adresse individuelle : 00-00-0C-12-34-56
Adresse Multicast : 01-80-C2-00-00-00
Adresse broadcast : FF-FF-FF-FF-FF-FF
C:\MONWINDOWS> ipconfig /all
Carte Ethernet Connexion au réseau local :
Adresse physique . . . . . . . : 00-1F-16-F5-B4-7A
…
Carte Ethernet Connexion au réseau sans-fil :
Adresse physique . . . . . . . : 00-B1-42-A3-BF-26
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Normalisation IEEE 802
Structuration en couches
• Décomposition des couches 1 et 2 du modèle OSI :
– LLC 802.2 : service unifié pour la couche réseau (couche du dessus)
– MAC 802.3 (filaire) ou 802.11 (wifi) : protocole CSMA/CD ou CSMA/CA
– couche physique : plusieurs sous-couches, spécifiques au support, au
système de câblage ou à la bande de fréquence, au codage
MAC : Medium Access Control
LLC : Logical Link Control (optionnel)
Support filaire ou radio
LLC
MAC 802.3 ou 802.11
Couche physique Niv 1
Niv 2
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2.3 Réseaux locaux
• Normalisation IEEE 802
•IEEE 802.3 Ethernet
•Principes d’accès au réseau
•Méthode d’accès CSMA/CD
•Format de trame
•Ethernet et ses supports
•Ethernet commuté
• IEEE 802.11 WiFi
• Topologie
• Portées
• Interopérabilité
•Aperçu du token ring (IEEE 802.5)
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Pb similaire à la prise de parole dans une assemblée
Principes d’accès au réseau
… et des réalisations variées :
• Méthodes aléatoires / émission libre et collisions / à contention
• Méthodes déterministes / circulation de jetons
• et des méthodes hybrides …
Des idées de solutions inspirés de la vie réelle et de l’expérience …
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Principes d’accès au réseau
Solutions envisagées :
•Présidence:
- un président de séance donne le droit de parole comme il veut
•Plages temporelles:
- chaque orateur doit répartir son discours sur une ou
plusieurs plages temporelles
•Droit de parole planifié:
- un droit de parole circule (jeton) selon un (Token-Ring)
ordre prédéterminé (Token-Bus)
- pour parler il faut avoir le jeton
- à la fin de son discours on passe le jeton

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Solutions envisagées :
•Règle d’impolitesse :
- on prend la parole dés que l’on veut parler !
- si cacophonie :
- on répète en suivant des règles de priorité
- on répète au bout d’un délais aléatoire
•Règle de politesse :
-on ne coupe pas la parole à un orateur (CSMA/CA)
- mais … difficile à réaliser :
- délais de transmission sur les supports
on croit que le support est libre !
- si cacophonie :
- on répète en suivant des règles de priorité (CSMA/CR)
- on répète au bout d’un délais aléatoire (CSMA/CD)
Principes d’accès au réseau Le principe fondateur d’Ethernet
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Maître
Esclaves
Des protocoles maître - esclave .....
SDLC, HDLC...
..... au premier des réseaux locaux: Ethernet
Méthode d’accès
Topologie en bus
Le premier réseau Ethernet (10 BASE 5) est un bus
physique matérialisé par un câble coaxial
• Pour organiser l’accès au support partagé, il convient
de respecter des règles: la méthode d’accès
CSMA/CD 15
2,5 m Minimum
( sur bandes noires)
Charge 50 Ohms
(isolée) Charge 50 Ohms
(sur terre INFORMATIQUE)
500 m
longueur MAXI d’un segment 10BASE5
100 noeuds MAXI sur un segment 10BASE5
Rayon de cintrage minimal
du câble de 25 cm
Méthode d’accès
Le protocole CSMA/CD
Principe de politesse
Mais une collision est toujours possible
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J’écoute J’écoute
Je peux émettre J’attends avant d’émettre
Collision
Stratégie LBT :
Listen Before Talk
Méthode d’accès
Le protocole CSMA/CD
Comment être certain de toujours pouvoir détecter une
collision ?
Prenons le cas extrême où deux machines se
trouvent aux extrémités du câble (distance D)
AB
Émission par A
du début de la trame Propagation de la trame
(vitesse V)
Juste avant de recevoir la trame de
A, B émet une trame
Propagation de la
collision (vitesse V)
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Méthode d’accès
Le protocole CSMA/CD
• Il faut que A émette un minimum de bits (64 octets)
• La longueur maximum du réseau est bornée (RTD max fixé –
Round-Trip Delay time)18
Prenons le cas extrême où deux machines se
trouvent aux extrémités du câble (distance D)
AB
Émission par A
du début de la trame
Propagation de la trame
(vitesse V)
Juste avant de recevoir la trame de
A, B émet une trame
Propagation de la
collision (vitesse V)
A doit encore être en
train d’émettre pour
détecter la collision

4
19
Méthode d’accès
Le protocole CSMA/CD
A
B
C
Pour C
le réseau
est libre
Timeout-A
Timeout-C Time-LBT
A émet
une trame
C émet
une trame
Propagation de
la trame de C :
A détecte
une collision
Pour A
le réseau
est libre
Propagation de
la trame de A :
C détecte
une collision
Après son timeout
A voit le réseau
libre:
il ré-émet sa trame
Après son timeout
C voit le réseau
occupé:
il attend qu’il
soit libre
Fin de propag.
de la trame de
A :
réseau libre, C
émet à nouveau
Chronogramme simplifié
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Méthode d’accès
Le protocole CSMA/CD
Stratégie LBT :
- Listen Before Talk, émet si la ligne est libre
Protocole CSMA/CD :
- Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
Collision possible / fréquentes :
-Détection : détection de surtensions (signe de collision !!)
-Réaction : tentative de ré-émission après un délai aléatoire…
… en fait :
•Courte émission de « brouillage » pour prévenir les autres
stations qu’une collision a eu lieu
•Attente d’un délai pseudo-aléatoire, exponentiellement
croissant si la collision ne se résout pas…
- Et entre 2 trames : attente d’un délai intertrame …
Méthode d’accès
Le protocole CSMA/CD
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Ecoute
Emission
et écoute
Support libre
Attente de
trame à émettre
Trame prête
Emission
JAM
Attente
délais
Backoff
Fin de transmission
Sans collision
Détection de Collision
Fin d’émission JAM
Fin de temporisation
Emission d’une
trame en CSMA/CD
Automate plus détaillé
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Méthode d’accès
Conséquences de CSMA/CD
• Protocole half-duplex par nature (on écoute ce qu’on dit pour
détecter une éventuelle collision)
• Croissance exponentielle du nombre des collisions au-delà du
seuil de saturation
• Seuil de saturation dépendant du trafic (longueur des trames)
• Bande passante exploitable 40%
Mbit/s
010
10 Mbit/s
3 à 4 Mbit/s
Trafic demandé
Charge
du bus
Ex. sur
Ethernet
à 10Mb/s :
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Ethernet : format de la trame
• Préambule : synchronisation (transmission série asynchrone)
• DA : Adresse destination, SA : Adresse source
• lg : longueur des données, ou type : protocole transporté
• Data : longueur minimale de 46 octets de données pour garantir
le bon fonctionnement du protocole
– Bourrage si nécessaire
• FCS : CRC pour le contrôle des champs DA, SA, lg/type et Data
(CRC : encodage pour le contrôle d’intégrité d’un paquet)
• Taille des trames : entre 72 et 1526 octets
Ethernet et ses supports
• Caractérisé par le triplet X BASE Y
– X: débits
– BASE (bande de base)
– Y : type de support
• 10 BASE 5 et 10 BASE 2 : 10 Mb/s sur câble coaxial
• 10 BASE T : 10 Mb/s sur paires torsadées (twisted pairs)
• 10 BASE F : 10 Mb/s sur fibre optique
• 100 BASE T : 100 Mb/s sur paires torsadées
• 1000 BASE T : 1 Gb/s sur paires torsadées
• 10G BASE T : 10 Gb/s sur paire torsadées
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Ethernet et ses supports
Du bus physique au bus logique
10 BASE 5 et 10 BASE 2 sont deux moutures
anciennes d’Ethernet se basant sur un bus
physique sous forme de câble coaxial
Le Hub, ou répéteur ou concentrateur à
remplacé la topologie physique par une étoile,
tout en conservant la topologie logique en bus
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10 BASE 2
Hub
Ethernet et ses supports
Hub et 10 BASE T
Nouveau support physique, la
paire torsadée
• UTP (Unshielded Twisted Pair)
• STP (Shielded Twisted Pair)
• FTP (Foiled Twisted Pair)
• Catégories de câble (norme
ISO/IEC IS 11801à
• Ex: Cat 5, bande passante
100MHz
Nouvelle connectique
• RJ45
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UTP
STP
FTP
Ethernet et ses supports
Hub et 10 BASE T
Nouveau support physique, la paire torsadée
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Station Ethernet
Interface MDI (Medium Dependant Interface)
Pin Signal Description
1 TX+ Tranceive Data+
2 TX- Tranceive Data-
3 RX+ Receive Data+
4 n/c Not connected
5 n/c Not connected
6 RX- Receive Data-
7 n/c Not connected
8 n/c Not connected
Hub Ethernet
Interface MDI-X
Pin Signal Description
1 RX+ Receive Data+
2 RX- Receive Data-
3 TX+ Tranceive Data+
4 n/c Not connected
5 n/c Not connected
6 TX- Tranceive Data-
7 n/c Not connected
8 n/c Not connected
Ethernet et ses supports
Cascade de hubs
Le nombre maximal de hub en cascade autorisé est limité
par le respect du RTD maximal (51,2µs en 10 BASE) 28
100m
Câble
droit
100m
Câble
croisé
100m
Câble
croisé
100m
100m
Câble
croisé
500 m, 4 hubs max en 10 BASE T
210 m, 2 hubs max en 100 BASE T
Un seul domaine
de collisions
La commutation Ethernet
Du Hub au commutateur
Le commutateur met fin à transmission systématique
par diffusion sur tous les ports.
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Répéteur (Hub)
Média partagé
Commutateur (switch)
Média commuté
port 1 port 2 port 3
Adresse Port
A1
B2
C3
ABC
La commutation Ethernet
Le commutateur
30
1 2 3 4 5 6
Port 1 - ether1
Port 2 - ether2
Port 3 - ether 3
Port 4 - ether 4
Port 5 - ether 5
... Etc.
ether5
• La trame n’est transmise que sur un seul port de sortie
• Sauf les trames à destination
multicast ou broadcast
• La bande passante globale augmente
avec le nombre de ports
•Auto-apprentissage de
la table de commutation