Les Réseaux Locaux Filaires

A. Quidelleur SRC1 Meaux 2007-2008 M22.1 - Réseaux et Services sur Réseaux Matière – Infrastructure des Réseaux Présentation des services - infrastructure des réseaux Réseaux Locaux Filaires 1

Plan

 Les supports des réseaux filaires  Les méthodes d’accès au support  Ethernet – La norme IEEE 802.3

 Les équipements d’interconnexion Réseaux Locaux Filaires 2

Les supports de transmission des réseaux locaux filaires

   La paire torsadée Le câble coaxial La fibre optique Réseaux Locaux Filaires 3

Trois supports

 Trois supports sont utilisés dans les réseaux locaux filaires    La paire torsadée Le câble coaxial La fibre optique  Le choix du support conditionne le débit maximal et la taille du réseau .

 Le choix d’un support détermine aussi les conditions de câblage  Flexibilité du support souhaitable ou non  Coût de la connectique Réseaux Locaux Filaires 4

Les supports de transmission des réseaux locaux filaires

   La paire torsadée Le câble coaxial La fibre optique Réseaux Locaux Filaires 5

Constitution de la paire torsadée

 La paire torsadée est « un fil téléphonique ».

 Une paire torsadée est constituée de deux conducteurs en cuivre, isolés l'un de l'autre, qui s’enroulent en formant une hélice.

 Dans un câble à paires torsadées, plusieurs torsades sont réunies dans une même gaine.

Une paire torsadée Un câble à paires torsadées Réseaux Locaux Filaires 6

Pourquoi transmettre sur deux fils ?

 La transmission différentielle annule le bruit additif.

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Pourquoi torsader ?

 Deux câbles côte à côte, sur lesquels a lieu une transmission électrique, se perturbent mutuellement.

 Une torsade crée une boucle qui génère un champ électrique.

 Deux torsades successives génèrent deux champs électriques opposés qui annulent les courants électriques perturbateurs.

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Protection contre le bruit

 Pour protéger le signal des perturbations extérieures, diverses techniques   L’écrantage : L’ensemble des paires ou chaque paire est entourée d’un film de polyester recouvert d’aluminium. FTP = Foiled Twisted Pair Le blindage : contre les perturbations électromagnétiques pour chaque paire d'un câble ou pour l'ensemble (« tube » métallisé très mince), efficace en HF. S-STP : Twisted Pair ou S-UTP : à l'aide d’un écran Shielded Shielded-Unshielded Twisted Pair Trois câbles à paires torsadées : Non blindé Blindé 9

Caractéristiques

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La connectique associée : RJ45

 Utilisation des broches   Téléphone : paires 4-5 Ethernet 10BaseT et 100BaseT : paires 1-2 et 3-6  ATM 51 Mbit/s ou 155 Mbit/s : paires 1-2, 4-5, 3-6 et 7-8 Réseaux Locaux Filaires 11

Les catégories de paires torsadées

 Les plus anciennes Catégorie Usage 1 & 2 Obsolètes 3 Voix et données à faible vitesse Bande passante 1MHz / 2MHz 16MHz 4 5 Voix et données à 10Mbit/s Voix et données à 16Mbit/s Voix et données à hautes fréquences, jusqu’à 100Mbit/s 20MHz Longueur Application 15m 100m 100m 100MHz 100m Services téléphoniques Ethernet 10baseT Token-Ring, Ethernet 10Mbit/s Ethernet 10Mbit/s, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet Réseaux Locaux Filaires 12

Les catégories de paires torsadées

 Les catégories supérieures présentent des bandes passantes plus élevées.

Catégorie Bande passante 5e 6 1 GHz 250 MHz 7 600 MHz 7e (en cours d’étude) 1 GHz Réseaux Locaux Filaires 13

Les supports de transmission des réseaux locaux filaires

   La paire torsadée Le câble coaxial La fibre optique Réseaux Locaux Filaires 14

Constitution du câble coaxial

gaine    Deux conducteurs concentriques : le conducteur extérieur (blindage) est mis à la terre, le conducteur intérieur (âme) est isolé et centré à l'aide d'un matériau diélectrique.

blindage âme Gaine : protège de l'environnement extérieur. En caoutchouc, PVC, ou téflon) Blindage : enveloppe métallique, permet de protéger les données transmises sur le support des parasites Isolant : matériau diélectrique, évite le contact avec le blindage (court-circuit).

Âme : transport des données, un seul brin en cuivre ou plusieurs brins torsadés.

isolant  Meilleure BP, moins sensible aux perturbations ( cher que la fibre optique. Technologie rodée.

 plus grandes distances, plus grands débits - Gbit/s-) que la paire torsadée. Moins  Environ 8 fois plus cher, plus lourd et moins maniable que la paire torsadée  délaissé au profit de la paire torsadée.

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La connectique des câbles coaxiaux : BNC



British Naval Connector

    Connecteur de câble BNC : soudé ou serti à l’extrémité du câble Connecteur BNC en T : relie carte réseau et câble Prolongateur BNC : relie deux segments de câble coaxial afin d’obtenir un câble plus long. Bouchon de terminaison BNC : à chaque extrémité du câble d’un réseau en bus pour annuler les réflexions (adaptation d’impédance) Réseaux Locaux Filaires 16

Les supports de transmission des réseaux locaux filaires

   La paire torsadée Le câble coaxial La fibre optique Réseaux Locaux Filaires 17

Fonctionnement de la fibre optique

 Une diode électroluminescents est placée au bout de la fibre   Pour transmettre un 0 : la diode est éteinte Pour transmettre un 1 : la diode émet de la lumière  C’est de la modulation d’amplitude en tout ou rien (OOK).

Un câble optique

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Pourquoi choisir une fibre optique ?

 Bande passante importante (débit > au Gbit/s)       Insensibilité aux parasites électriques et magnétiques Faible encombrement et poids Atténuation très faible (jusqu’ à 0.2 dB/km) Vitesse de propagation élevée Sécurité (absence de rayonnement à l’extérieur, difficulté de se mettre à l’écoute)…  La fibre est bon marché mais la connectique coûte cher (grande précision requise) Réseaux Locaux Filaires 19

Domaines d’application des trois supports

Support

Paire torsadée Câble coaxial Fibre optique

Bande passante Application

> 100 kHz > 100 MHz > 1GHz

Réseau

Téléphonie, LAN Téléphonie, LAN, MAN LAN, MAN, WAN Ethernet, Token Ring Anciennement Ethernet, Token Bus Interconnexion de réseaux locaux éloignés Réseaux Locaux Filaires 20

Les méthodes d’accès au support

 L’architecture IEEE  Les protocoles d’accès au support Réseaux Locaux Filaires 21

Le modèle IEEE

  L’IEEE est un organisme de normalisation qui a entrepris l’élaboration de standards pour les réseaux locaux en 1979.

Il propose un modèle d’architecture pour les couches 1 et 2 du modèle OSI.

Application

 Sous-couche MAC ( Medium Access Control )

Présentation

 Rôle : assurer le partage du support entre tous les utilisateurs.

Session

  Gestion des adresses physiques (adresses MAC).

Sous-couche LLC ( Logical Link Control )

Transport

 Rôle : gestion des communications, liaisons logiques, entre stations.

Réseau

 Interface avec les couches supérieures.

Contrôle de liaison logique (LLC) Liaison Physique Contrôle d’accès au support (MAC) Physique Modèle OSI

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La sous-couche LLC

 La sous-couche MAC gère l’accès au médium : elle ne prévoit rien en cas de détection d’erreur, n’assure aucun contrôle de flux  Rôle de la couche LLC.

  La sous-couche LLC rend un service de liaison OSI : elle gère les communications entre les stations et assure l’interface avec les couches supérieures.

La sous- couche LLC fournit trois types de service à la couche réseau  LLC type 1 ou mode datagramme – service sans connexion   LLC type 2 ou mode connecté – service avec connexion LLC de type 3 ou mode datagramme acquitté – service sans connexion avec acquittement Réseaux Locaux Filaires 23

L’adressage IEEE

I/G

  L’adresse MAC identifie de manière unique une adresse dans le monde (adresse physique liée au matériel ). Adresse régie par l’IEEE.

Format de l’adresse MAC : 48 bits (6 octets)

U/L

Adresse constructeur 22 bits Sous - Adresse sur 24 bits Bit U/L = 0 @ universelle (format IEEE) Bit U/L = 1 @ locale (format propriétaire - Token Ring) Bit I/G = 0 @ individuelle Bit I/G = 1 @ de groupe (utilisé dans le cadre de la diffusion à un groupe,

multicast

)  Adresse de diffusion ( Broadcast Address ) : FF-FF-FF-FF-FF-FF.

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Les codes réservés aux constructeurs

Constructeur

Cisco 3Com Intel IBM DEC Sun Cabletron

3 premiers octets de l’adresse MAC (en hexadécimal) 00 : 00 : 0C 00 : 00 : D8 – 00 : 20 : AF 02 : 60 : 8C – 08 : 00 : 02 00 : AA : 00 08 : 00 : 5A 08 : 00 : 2B 08 : 00 : 20 00 : 00 : 1D Réseaux Locaux Filaires 25

Remarque : Adresse MAC / Adresse IP ???

    Attention à la confusion Adresse MAC/Adresse IP !!!

L’adresse MAC est le « nom de famille » de la carte réseau : elle « naît et meurt » avec !

Comme dans la vie courante, le nom de famille ne suffit pas à localiser une personne dans le monde ; sur Internet, on attribue donc une « adresse postale » aux machines pour les localiser : l’adresse IP.

  L’adresse IP a une structure logique qui permet de la localiser sur le réseau Internet, tout comme une adresse postale est structurée de manière à localiser le pays, la ville, la rue, la maison, l’étage, etc. … Si l’ordinateur change de réseau, son adresse IP change.

L’adresse IP a une portée globale (elle localise la machine dans le monde) ; l’adresse MAC a une portée locale (une fois la machine localisée, on l’identifie par « son nom »).

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Les méthodes d’accès au support

 L’architecture IEEE  Les protocoles d’accès au support Réseaux Locaux Filaires 27

Pourquoi une méthode d’accès ?

   Plusieurs machines se partagent un même support : il faut définir une méthode régissant l’accès à ce support. C’est le rôle de la couche MAC.

Il existe de nombreuses techniques      centralisées ou distribuées régler les conflits d’accès ; ou distribution du contrôle sur l’ensemble des stations : une station primaire est chargée de statiques ou dynamiques déterministes ou non (garantie d’un temps d’accès) équitables ou non (vis à vis des possibilités d’accès au support à chacune des stations) avec ou sans contentions d’accès (collisions de trames)  Etude en TD des diverses méthodes Réseaux Locaux Filaires 28

Ethernet – La norme IEEE 802.3

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Origines

     La norme la plus utilisée pour les réseaux locaux Origines   Le protocole Aloha (interconnexion par liaison radio des îles Hawaï en 1970) : voir TD Rajout des fonctions d’écoute de la porteuse et de détection de collision.

La norme IEEE 802.3

couvre la sous-couche MAC et la couche 1 du protocole qu’on désigne habituellement par les termes « 802.3 », « CSMA/CD », ou « Ethernet » CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Acces with Collision Dectection ) est un sigle qui caractérise la technique d’accès utilisée pour attribuer le droit de parole dans le réseau. Ethernet   est un nom déposé par Rank Xerox. « éther » = au XIXème siècle, l’espace à travers lequel étaient censées se propager les ondes « net », abréviation de network. 30

Architecture physique d’Ethernet

 Bus (ancien)   Câble coaxial, connexion des stations « en parallèle » Diffusion des trames par propagation bidirectionnelle   Etoile (très courant)   Hub avec deux paires torsadées (Tx et Rx).

Une trame reçue sur une ligne est diffusée sur toutes les autres   : souplesse d’installation   : augmentation du nombre de câbles nécessaires Normalisation pour 3 supports : câble coaxial, paire torsadée et fibre optique Réseaux Locaux Filaires 31

Le protocole d’accès CSMA/CD

 Une station souhaitant émettre écoute le support   Si le support est libre, elle émet et écoute jusqu’à la fin de la transmission pour détecter une éventuelle collision Si le support est occupé, elle attend que le support soit libre et émet après le temps d’inter-trame 1 2 3 Cas du support libre Réseaux Locaux Filaires Cas du support occupé 32

Pourquoi un temps d’inter-trame ?

 Temps d’inter-trame = 96 temps-bits pour   réinitialiser tous les processus liés à la couche 2 et à la couche 1 assurer la stabilisation des conditions électriques du support de transmission S1 émet S2 émet S2 écoute Délai temps d’intertrame Réseaux Locaux Filaires 33

Apparition d’une collision

S1 émet  L’écoute ne suffit pas à éviter les collisions : deux stations écoutant en même temps le support libre vont émettre au même moment.

S3 écoute S3 émet S2 émet S2 écoute Collision de transmission temps Réseaux Locaux Filaires 34

Gestion d’une collision

 Trois étapes    Détection de la collision Renforcement de la collision Résolution de la collision  1ère étape : Détection de la collision  Elle est réalisée par le transceiver   Elle est rendue possible par l’introduction d’une valeur moyenne non nulle dans le signal.

Remarque : code utilisé = Manchester pour le bus ; Manchester différentiel pour étoile Réseaux Locaux Filaires 35

Gestion d’une collision

 2ème étape : Renforcement de collision  Les stations qui repèrent la collision émettent un bits jam de 32  But : Toutes les stations doivent détecter la collision  Les stations en collision cessent très vite d’émettre : signal résultant très court et de faible amplitude + atténuation de la propagation sur le bus  les transceivers aux extrémités du segment peuvent ne pas détecter la collision  Le jam a un contenu quelconque, mais différent du préambule Réseaux Locaux Filaires 36

Gestion d’une collision

 3ème étape : Résolution de la collision   Les stations en collision tirent un temps aléatoire M  RTD, M étant calculé selon l’algorithme du BEB ( Binary Exponentiel Backoff ).

Elle réitèrent leur transmission au bout du temps M  RTD.

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La période de vulnérabilité

 C’est la durée pendant laquelle une trame est susceptible de subir une collision.

À t 0 , S1 commence à émettre une trame

S1 S2

À t 0 + D t e , S2 détecte le canal libre et émet une trame

S1 S2

À t 0 + D t, S2 détecte la collision, stoppe sa transmission et envoie une séquence de bourrage

S1 S2

À t 0 +2 D t, S1 détecte la collision 

S1 S2

Si D t est temps de propagation d’un signal entre les deux stations S1 et S2, la période de vulnérabilité est 2 D t .

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Taille minimale de la trame Ethernet

 Conditions pour qu’une station puisse détecter toute collision qui affecte ses trames   La trame doit être transmise pendant un temps au moins aussi long que le délai aller-retour (2 D t) sur le bus Si le débit du bus et le délai aller-retour sur le bus sont fixés, cette condition implique une taille minimale de trame  Exemple : Spécifications 802.3 : 10Base5, 4 répéteurs au maximum avec des tronçons de 500 m  soit une taille max. de 2.5 km  Sur coaxial, vitesse = 100 000 km/s.

 2 D t  octets 5 .

10  5 s  Long .

trame Débit  taille min. de 512 bits = 64 Réseaux Locaux Filaires 39

Le temps de retournement

 Le Round Trip Delay (RTD) ou temps de retournement temps total nécessaire à est le  la propagation d’une trame d’un bout à l’autre du réseau  la détection d’une éventuelle collision provoquée par cette trame à l’extrémité du réseau  la propagation en retour de l’information de collision.

 Exemple précédent : RTD = 512 Tb Réseaux Locaux Filaires 40

Résumé des paramètres du protocole CSMA/CD

Paramètre Slot Time Interframe Gap Attempt Limit Backoff Limit Jam Size Max Frame Size Min Frame Size Address Size Signification

Fenêtre de collision = temps de retournement = RTD Attente entre deux transmissions Nombre maximal de retransmission Limite maximale de l’intervalle de tirage Taille de la séquence de bourrage Longueur maximale de la trame Longueur minimale de trame Longueur du champ d’adresse

Valeur

512 temps bit* 96 temps bit 16 10 4 octets 1518 octets 64 octets 48 bits * Temps bit calculé en fonction du débit, pour Ethernet à 10 Mbit/s, 1 temps bit = 0.1 µs Réseaux Locaux Filaires 41

Le format des trames IEEE 802.3

7 octets   Sur un bus, toutes les stations voient toutes les trames  chaque trame contient @ source et @ destinataire Chaque carte Ethernet contient une adresse unique : adresse MAC 1 octet 2 ou 6 octets 2 ou 6 octets 2 octets 4 octets

Amorce Marqueur de début Adresse destination Adresse source Longueur Données Octets de bourrage FCS

Présente en début de trame 7octets initialisés à 10101010 (permet de synchroniser les 2 ou 6 octets pour une @ locale ou non horloges des stations réceptrices) Marqueur de début de trame ( Start Frame Delimiter ) octet à la valeur 10101011 (permet la synchronisation par caractère) Bits de bourrage quand la taille des données < à 46 octets Frame Control Sequence Détection d’erreurs Indique la longueur effective des données (entre 0 et 1500) permet de distinguer les données d éventuels bits de bourrage) 42

Les variantes de la norme IEEE 802.3

  La norme 802.3 spécifie pour chaque type de médium    les propriétés physiques les contraintes d’installation, de conception éventuellement les caractéristiques dimensionnelles Un nom est attribué à chaque mode de fonctionnement sur chaque médium, de la forme :    XXTTTTMM avec XX : débit de transmission en Mbit/s TTTT : technique de codage des signaux (bande de base ou large bande) MM : identification du médium ou longueur maximale d’un segment en centaines de mètres.

 Exemples Réseaux Locaux Filaires      10BASE5 : 10Mbit/s en bande de base avec des segments de 500m 10BASE2 : 10Mbit/s en bande de base avec des segments de 200m maximum (185m en réalité) 10BASE-T : 10Mbit/s en bande de base sur câble avec deux paires torsadées 10BASEF : 10Mbit/s en bande de base sur fibre optique 100BASE-TX : 100Mbit/s en bande de base, sur câble avec deux paires torsadées (RX et TX) 43

Spécifications IEEE 802.3

Nom 10Base5 10Base2 10BaseT 10BaseF Type de câblage

Coaxial épais (Thicknet) Coaxial fin (Thinnet) Paires torsadées Fibre optique

Long.

max.

d’un segment

500 m

Nbre max.

de stations / segment

100 200 m 100 m 2000 m 30 1024 1024

Remarques

Adapté aux réseaux fédérateurs Nbre max. de segments : 5 Distance min. entre les transceivers : 2.5 m Distance max. du câble au transceiver : 50 m Système le moins cher Nbre max. de segments : 5 Distance min. entre les connecteurs en T : 0.5 m Maintenance facile Distance max. hub à hub ou répéteur à répéteur : 100 m Le plus adapté entre plusieurs immeubles Réseaux Locaux Filaires 44

Extensions d’Ethernet

 Ethernet Commuté : Un switch analyse les adresses MAC et retransmet les trames sur le câble contenant la station de destination uniquement .

 Ethernet 100baseT (Fast Ethernet) : Evolution naturelle du 10BaseT, protocole identique au CSMA/CD, mais meilleur codage en ligne pour diminuer la bande passante. Topologie en étoile . Totalement compatible avec 10baseT .

 100VGAnyLan polling.

: Ethernet 100 Mbit/s avec protocole MAC de type  Gigabit Ethernet technique : Protocole CSMA/CD amélioré avec la Carrier Extension qui consiste à allonger le temps de transmission pour les trames inférieures à 512 octets, nécessaire à cause de la vitesse de fonctionnement élevée.

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Quel support pour quel Ethernet ?

Ethernet 10 Mbit/s Gigabit Ethernet

10 BASE 5 10 BASE 2 10 BASE T 10 BASE T4 10 BASE FX Coax jaune 50 Coax “ Thin ” 50 Cat 5 UTP ou STP Cat 3, 4 ou 5 Fibre multi ou mono Ethernet 100 Mbit/s 100 BASE TX Cat 5 UTP ou STP 100 BASE T4 Cat 3, 4 ou 5 UTP/STP 100 BASE FX Fibre multi ou mono 100 VG AnyLan Cat 3, 4 ou 5 UTP/STP 1000 BASE T Cat 5 UTP 1000 BASE CX Coax 1000 BASE SX FO multimode 1000 BASE LX FO monomode Réseaux Locaux Filaires 46

Les équipements d’interconnexion des réseaux locaux filaires

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Le répéteur

  Il permet d’étendre le réseau plus loin que les limitations dues au câble Fonctionnement d’un répéteur:   Transmettre les bits reçus sur un port à l’autre port En cas de collision sur un port, transmettre l’effet de la collision (bits aléatoires)  Le répéteur n’agit qu’au niveau physique (répétition de bits). Niveau 1 du modèle OSI.

 Même avec des répéteurs il y a des limitations : temps de propagation, au plus 4 répéteurs sur un chemin Réseaux Locaux Filaires 48

Le hub

   Pour les supports à base de paires torsadées C’est un répéteurs à plusieurs ports, équivalent à plusieurs répéteurs connectés à un Ethernet interne. Il joue le rôle de diffusion du bus passif.

Intérêt au point de vue du câblage?

 Facilité de la gestion  Isolation des problèmes Réseaux Locaux Filaires 49

Règle de câblage

 Pas plus de 4 hubs entre 2 postes, pas de boucles.

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Le pont et le commutateur

   Les ponts ( bridges ) sont des systèmes intermédiaires qui acheminent les paquets dotés d’adresses MAC. Niveau 2 du modèle OSI.

Ils séparent les domaines de collisions : plusieurs trames peuvent être transmises en parallèle sur un réseau LAN ponté.

 Les commutateurs fonctionnent selon le même principe mais travaillent plus rapidement.

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Remarque : Le routeur

 Confusion courante avec le commutateur, mais attention !!!

  Commutateur = niveau 2 Routeur = niveau 3. Voir cours adressage IP.

   Le routeur   Analyse l’adresse réseau (@IP) décision de routage.

des trames pour prendre une Gère des tables de routage (@réseau, port de sortie) statiques ou dynamiques.

Plus complexe, lent et coûteux que le pont.

Interconnexion de grands réseaux TCP/IP sur de longue distance.

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Récapitulatif

ROUTEUR PONT, COMMUTATEUR REPETEUR, HUB 7 Application 6 Présentation 5 Session 4 Transport 3 Réseau 2 Liaison 1 Physique Réseaux Locaux Filaires 53

Câblage d’un immeuble

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Câblage d’un immeuble

Câblage horizontal Prises Interconnexion (Dorsale) Baies de brassage Réseaux Locaux Filaires 55

Bibliographie

 Support de cours « Réseaux Locaux », C. Bernard, IUT SRC Avon, 2002-2003  Support de cours « Réseaux Locaux », Périno, ENST Paris, 2000  Support de cours « Ethernet », J-Y Leboudec, S. Robert, EPFL 2002.

 Transmissions et Réseaux, S. Lohier, D. Présent, éd. Dunod  Les Réseaux, A. Tanenbaum, éd. Dunod Réseaux Locaux Filaires 56