Version et nature des spécifications USB

USB
1) Transfert, distances, spécifications
Toutes les versions d’USB exploitent un modèle de communication maître-esclave en point à
point. Le maître, piloté en général par un logiciel de contrôle, ordonne à loisir aux esclaves
d’effectuer les opérations pour lesquelles ils sont prévus. C’est lui qui coordonne l’action des
esclaves et il est le seul à connaître leur état. Il est aussi le seul à connaître leurs fonctions et
leurs caractéristiques. Le maître est donc le seul habilité à s’adresser à un esclave, à lui
ordonner d’effectuer des opérations et à pouvoir en récupérer les résultats. C’est finalement
le seul point de contact commun entre tous les esclaves.
Le maître organise et gère le réseau, notamment lors de la connexion ou de la déconnexion
d’esclaves. Il énumère les nœuds présents en récupérant leur identité et les fonctions qu’ils
offrent. Un type particulier d’esclave permet d’interconnecter les nœuds USB entre eux : le
hub.
Figure 2 - Différents niveaux d’abstraction de la communication dans USB
Figure 3 - Pile de protocoles USB
Il y a donc trois grands types de nœuds :
Le maître.
Le hub, sorte de répéteur sophistiqué qui, outre sa fonction de retransmission vers les
nœuds qui lui sont connectés, gère leurs besoins en énergie.
Le périphérique esclave, qui offre les fonctions utiles.
Un hub est aussi considéré comme un nœud du réseau. Il est donc aussi un périphérique
esclave.
Les données sont transférées entre le maître et un esclave au travers des tuyaux de
communications qui sont établi entre le maître et les fonctions de l’esclave, chacune
représentée par un point d’entrée (figure 2).
Le maître est aussi chargé de gérer la bande passante disponible. Un esclave a en effet la
possibilité de réserver une partie de la bande passante, pour des services de type isochrone
ou interruption. Le maître est alors chargé de vérifier si cette demande peut être satisfaite
et, si c’est le cas, d’en assurer la bonne exécution.
2) Normes (IEEE1314, 802.3…)
Universal Serial Bus (USB), n’est pas une norme mais une spécification constructeur
qui comporte un ensemble de spécifications techniques. Il en existe plusieurs :
Version et nature des spécifications USB
Version
Date
Initiateur
Nature
USB 1.0
15 janvier
1996
Compaq, Intel, Microsoft
et NEC
Bus maître- esclave, 12 Mbit/s
USB 1.1
23 septembre Compaq, Intel, Microsoft
1998
et NEC
Bus maître- esclave, 12 Mbit/s
USB 2.0
Compaq, HP, Intel,
27 avril 2000 Lucent, Microsoft, NEC
et Philips
Bus maître- esclave, 480 Mbit/s
USBCDCD1.0 8 mai 1998
–
Universal Serial Bus Class
Definitions for Communication
Devices
UHCI 1.1
Intel
Universal Host Controller
Interface
mars 1996
La norme définit 4 modes de transmission :
- Control :
C’est un mode défini essentiellement pour gérer les phases d’énumération et de
configuration du bus. Il est bidirectionnel et un système de détection d’erreur est présent.
- Bulk :
C’est un mode utilisé pour le transfert de quantités importantes (fichiers, flux audio ou
vidéo). Il n’est pas prioritaire et les transmissions se font sur les moments où le bus est libre.
Très rapide en théorie, une transmission peut s’avérer pourtant très lente en raison de sa
non-priorisation et à un trafic important sur le bus. Une détection des erreurs est présente
mais on ne retransmet pas les données si elles sont erronées.
- Interrupt : il s'agit d'un mode prioritaire paramétrable, la gestion du bus assurant que le
temps séparant deux transactions ne sera pas supérieur au délai exigé. Ce mode de
transmission est utilisé dans des applications nécessitant qu'une quantité variable de
données soit acheminée prioritairement au trafic sur le bus.
C’est un mode prioritaire pour transmettre des petites quantités de données
- "Isochronous" : il s'agit d'un mode prioritaire paramétrable, la gestion du bus assurant le
débit de données demandé. Contrairement aux trois autres modes, la répétition du message
en cas d'erreur n'est pas gérée ; ce mode de transmission est utilisé pour les applications
temps réel.
Deux types de périphériques sont pris en compte dans USB 1 .1 :
Ceux pouvant se satisfaire du mode « low-speed » (basse vitesse).
Ceux nécessitant l’emploi du mode « full speed » (pleine vitesse).
Ces modes déterminent également la possibilité d’utiliser tout ou partie des services
disponibles dans USB, notamment les échanges isochrones.
Le mode « low-speed » permet d’échanger des trames à 1,5 Mbit/s au travers des services
bulk et contrôle.
Le mode « full-speed » permet d’échanger des trames à 12 Mbit/s au travers des services
bulk, isochrone, interruption et contrôle.
La version 2.0 d’USB introduit un troisième mode, qui permet d’échanger des trames à
480 Mbit/s au travers des quatres services précédents.
Il est possible de mélanger les deux modes au sein d’un même réseau.
Cette possibilité est offerte par les hubs. Lors de la configuration du réseau, les capacités de
chaque nœud présent au sein du réseau sont indiquées au hub auquel il est rattaché ainsi
qu’au maître du réseau. Une des limitations du principe est qu’une telle branche déclarée
« low-speed » par un hub sera totalement dans ce mode, même si la plupart des nœuds en
aval supportent aussi le mode « full-speed ».
3) Application
Applications historiques
USB a été initialement conçu pour remplacer les connexions de type série et parallèle, souris
et clavier, simplement, à moindre coût et en limitant le nombre de connecteurs. Il était donc
prévu de connecter des dispositifs simples à faible débit, tels que les modems.
Applications spécifiques
En voulant également les connexions SCSI (Small Computer System Interface ), USB plaçait la
barre très haut. De fait, les périphériques SCSI et USB ont continué à coexister durant
quelques temps. Finalement, la norme SCSI a été combattue par USB pour les applications
peu exigeantes et par IEEE1394 Firewire
pour les applications haut de gamme.
USB a ensuite permis la connexion des appareils numériques grands publics comme les
appareils photo numériques, dont les capteurs ont grandi. USB a rapidement été dépassé
par les applications de manipulation d’images, ce qui a justifié l’apparition de la version 2.0.
Aujourd’hui, on trouve des centaines de dispositifs connectés au travers d’USB, comme des
disques durs ou Flash, des ensembles sonores multivoies, des caméras hautes résolution,
des cartes Ethernet.
Utilisation dans le domaine industriel
USB n’a pas été conçu pour fonctionner dans le milieu industriel, ni pour offrir des services
aux applications industrielles. Néanmoins, ses qualités sont suffisantes pour entrevoir des
possibilités d’utilisation dans des applications nécessitant le transfert de grands volumes
d’information sur de courtes distances, dans un environnement pas trop perturbé.
Il est en effet envisageable d’assurer des transferts de diverses natures, sujet à des
contraintes temporelles, comme :
-
Transfert de bout en bout soumis à des délais bornés, exprimant la capacité à borner
la durée de certaines transactions.
Temps de transmission et diverses latences dans USB lors de l’exécution d’une
transaction.
-
Trafic sporadique, autrement dit le support du trafic n’apparaissant
qu’épisodiquement mais à des instants déterminés.
Trafic cyclique, autrement dit le support du trafic apparaissant de manière récurrente
et à assurer au pire avant l’apparition de l’occurrence suivante.
Trafic périodique, relatif au trafic apparaissant de manière récurrente et à assurer au
pire dans un délai précis après son occurrence (respect de la périodicité du transfert).
Par exemple, les services de transfert de données isochrones ou interruption forment une
base pratique pour le transfert de données cycliques.
4) Spécificités
L’USB utilise une transmission différentielle :
L’architecture USB a pour caractéristique de fournir l’alimentation électrique aux
périphériques en utilisant pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND,
l’alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+). Les fils D+ et D- forment une
paire torsadée et utilisent le principe de la transmission différentielle afin de garantir une
certaine immunité aux bruits parasites de l’environnement physique du périphérique ou de
son câble.
La signalisation différentielle symétrique est une méthode de transmission de signaux sur
une paire torsadée. Elle consiste à envoyer 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.
Par exemple, si sur un fil 1 est codé par une tension de 5V et 0 est codé par 0V, alors sur
l'autre fil 1 est codé par -5V et 0 est codé par 0V. À l'arrivée on fait la différence des signaux,
si la différence est 10V, on a reçu un 1 et si la différence est un 0, on a reçu un zéro.
Même si une perturbation électromagnétique dégrade le signal, la différence est inchangée.
On réalise ainsi une transmission relativement immune au bruit.
Exemple : Une tension parasite de 2 V est insérée dans le câble alors qu'on est en train de
coder un 1 : le signal reçu va être 7 V et -3 V (au lieu de 5 V et -5 V). Cependant, la différence
est inchangée. Elle vaut toujours 10 V, ce qui assure un décodage du 1 sans ambiguïté.
LAN (Ethernet)
1) Transfert, distances, spécifications
L’Ethernet est une norme l’IEEE 802.3 qui a été principalement développé pour permettre
l’augmentation rapide de la mise en réseau des ordinateurs. Aujourd’hui il est aussi largement utilisé
pour n’importe quel type de communication de données.
Le grand principe de l’Ethernet est que toutes les entités connectées au réseau le sont sur la même
ligne de communication.
Avant les années 1990 l’Ethernet n’était qu’une technologie parmi d’autres (Token ring, ATM, FDI…)
mais elle a su s’imposée et ceci grâce à ses qualités :
- Première technologie LAN haut débit grand public.
- Les autres technologies sont sensiblement plus complexes.
- Usage d'un protocole entièrement décentralisé (CSMA/CD) synonyme de simplicité. Toutes les
stations sont égales vis-à-vis du réseau, il n'y a pas d'équipement maître de contrôle du réseau.
- Il est possible de connecter ou de retirer une machine du réseau sans perturber le fonctionnement
de l'ensemble.
- Un coût de l'équipement beaucoup plus faible que ses technologies concurrentes .
La communication sur le réseau Ethernet se fonde sur le protocole CSMA/CD (« Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detect ce qui signifie qu'il s'agit d'un protocole d'accès multiple avec
surveillance de porteuse (Carrier Sense) et détection de collision »).
Si un poste souhaite communiquer, il vérifie si la ligne est libre, si c’est le cas, il envoie les données
sinon il attend que la ligne se libère. La détection des collisions est importante pour éviter que
plusieurs postes transmettent simultanément des données qui entreraient en collision. En détectant
les collisions on peut différer la transmission et ainsi éviter les pertes de données.
À ce premier standard succéda le 10Base2, assurant également un débit de 10 Mbit/s, mais cette fois
via un câble coaxial plus fin connecté par des raccords en T à des cartes d’interface réseau. Cette
solution, beaucoup moins onéreuse, devint populaire pour les petits réseaux.
La grande étape suivante fut l’introduction du câblage structuré, avec le standard 10BaseT
fonctionnant avec des concentrateurs (hubs). La longueur maximale restait toutefois inférieure à
100 m.
Vint ensuite le passage à des réseaux plus rapides, utilisant des câbles en fibre optique permettant la
transmission de données sur de longues distances. D’autres standards suivirent, notamment
100BaseT, 100BaseFX…
Compte tenu de la diversité des standards, du nombre de périphériques connectés et des deux débits
coexistant, l’interconnexion de réseaux devenait plus complexe, de même que le développement des
commutateurs Ethernet.
On distingue différentes variantes de technologies Ethernet suivant le type et le diamètre des câbles
utilisés :
10Base2 : Le câble utilisé est un câble coaxial fin de faible diamètre, appelé thin Ethernet,
10Base5: Le câble utilisé est un câble coaxial de gros diamètre, appelé thick Ethernet,
10Base-T: Le câble utilisé est une paire torsadée (le T signifie twisted pair), le débit atteint est
d'environ 10 Mbps,
100Base-FX: Permet d'obtenir un débit de 100Mbps en utilisant une fibre optique multimode (F
signifie Fiber).
100Base-TX: Comme 10Base-T mais avec un débit 10 fois plus important (100Mbps),
1000Base-T: Utilise une double paire torsadée de catégorie 5e et permet un débit d'un Gigabit par
seconde.
1000Base-SX: Basé sur une fibre optique multimode utilisant un signal de faible longueur d'onde (S
signifie short) de 850 nanomètres (770 à 860 nm).
1000Base-LX: Basé sur une fibre optique multimode utilisant un signal de longueur d'onde élevé (L
signifie long) de 1350 nm (1270 à 1355 nm).
2) Normes liés à l’Ethernet
3) Application
4) Conclusion
L’Ethernet devient de plus en plus une alternative de choix dans le monde industriel. Malgré
le fait que les contraintes temps réel et la sécurité laissent à croire que le bus de terrain est
encore avantagé, l’Ethernet est de plus en plus rapide. Avec des connexions à 10 gigabits en
cuivre et les commutateurs qui évitent les collisions qu’on rencontrait auparavant avec les
hubs, Ethernet semble avoir corrigé ses principaux défauts. Toutefois l’Ethernet reste un
protocole très peu sécurisé. Les pare-feux et autres moyens de protection alourdissent les
performances et engendrent un coût plus important. La solution est souvent d’essayer de
séparer le réseau interne d’une entreprise du monde extérieur mais c’est très compliqué et
ce n’est pas toujours réalisable.
Dans le milieu industriel l’Ethernet se voit souvent affublé de critique concernant sa solidité
mais il faut savoir qu’aujourd’hui qu’il existe des connecteurs très résistant : loin de la prise
RJ-45 basique.
Par exemple la gamme industrielle MAX de Siemon utilise des matériaux particulièrement
résistants aux produits chimiques et aux températures extrêmes. Ces connecteurs
supportent des températures comprises entre -25°C et 85°C. Par rapport aux connecteurs
standards, la plage des températures supportées par les connecteurs est deux fois plus
importante.