Les réseaux Ethernet pour câbles en cuivre à paires torsadées

AMSI2005110
Page 1/7
Les réseaux Ethernet pour câbles en cuivre à paires torsadées
1. Introduction.
Ethernet a été proposé comme standard par les entreprises DEC (digital), Intel et Xerox en 1981. En 1982 la première norme a évolué vers Ethernet II (trame "DIX"). Aujourd'hui la norme continu d'évoluer notamment vers "FastEthernet" et IEEE 802.3 . Les variantes des réseaux Ethernet diffèrent au niveau de la couche physique "layer 1" mais peuvent également varier au niveau de la couche liaison "layer 2".
2. La couche physique "layer1".
Il existe de très nombreux standards de couches physiques pour réseaux locaux, nous examinons ici le plus répandu de ces standards, celui que l'on nomme "Ethernet II".
La norme Ethernet II impose un temps maximal entre l'émission et la réception d'un signal de 25,6 microsecondes.
Plusieurs implémentations de réseau Ethernet existent en fonction du support de transmission utilisé et du débit. Exemple : 10 base2, 10base5, 10baseT...
Une dénomination Ethernet est constituée de trois parties : <D> <T> <Dist>
D = débit en Mbits/s; T = Type de transmission; Dist = distance ou type de support
➢ Exemples : 10base5 => 10Mbits/s, bande de base, 500m
➢
100baseT =>100Mbits/s, bande de base, Twisted Pair (paires torsadées)
2.1. Exercice.
En sachant que la vitesse de propagation sur un câble en cuivre est de 2x108 m/s , et que l'on utilise un coefficient
de sécurité Ks=2 en raison de la lenteur des appareils d'interconnexions, calculez la longueur maximum théorique
d'un câble Ethernet.
En 1 seconde le signal parcourt 2x108 m, donc en 25,6 microsecondes, il parcourt 25,6x10-6 x 2x108 = 5120 m.
Après application de la marge de sécurité, on peut dire qu'un réseau Ethernet a une longueur maximum
théorique de 2,5 km.
3. La couche liaison "layer2"
La norme Ethernet spécifie une partie de la couche liaison : Couche 2 (liaison)
Couche 1 (physique)
Les réseaux de type Ethernet sont reliées sur un même bus. Toutes les cartes d'interface ont donc accès simultanément aux mêmes informations qu'elles leur soient destinées ou non. Ce type de réseau s'appelle un "Réseau à Diffusion" par opposition aux réseaux point à point comme par exemple le Token Ring qui réalise une liaison point à point mono­directionnelle entre deux stations contigues.
3.1. Format de la trame
La taille des trames varie entre 64 et 1518 octets (hors préambule). Chaque trame contient un en­tête de 14 octets et une queue de 4 octets (zone de séquence de contrôle de trame "FSC").
AMSI2005110
Page 2/7
3.1.1. Le préambule
La trame commence par un préambule de 8 octets, il sert à la carte réseau pour :
➢ repérer le début de chaque trame
➢ permettre la synchronisation de l'horloge de réception
Les trames ne se succèdent pas toujours sans transition sur un réseau. Pendant les périodes d'attente où aucune trame n'est émise les récepteurs se désynchronisent et il est nécessaire de les re­synchroniser. A 10 mbps, le préambule dure 6,4 microsecondes ce qui est suffisant pour que la station qui reçoit se synchronise.
3.1.2. L'en­tête.
3.1.2.1. Les adresses MAC de destination et de source.
Chaque station possède une adresse MAC (aussi appelée adresse matérielle) unique et figée par le constructeur. L’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) affecte les 3 premiers octets à un constructeurs qui a la charge d’attribuer les 3 derniers octets aux cartes qu’il fabrique. L’adresse ff:ff:ff:ff:ff:ff est l’adresse de bradcast ou de diffusion.
3.1.2.2. Notion de multiplexage.
Le multiplexage des protocoles consiste à faire en sorte qu'une même carte réseau puisse envoyer ou recevoir (démultiplexer) des trames correspondant à plusieurs protocoles différents.
Le multiplexage ­ démultiplexage se situe à l'interface de la couche Liaison et de la couche Réseau.
3.1.2.3. Le champ ETHERTYPE.
Sur une même machine reliée à un réseau peuvent "tourner" des applications différentes ayant recours à des protocoles de couche réseau différents. Chaque protocole correspond à un numéro Ethertype (hexadécimal). Par exemple :
➢ IP si la machine met en oeuvre la pile de protocoles TCP / IP (0800)16
AMSI2005110
➢
➢
➢
➢
➢
Page 3/7
IPX si elle met en oeuvre Novell Netware (8137 ou 8138)16
NetBIOS
ARP (0806)16
ARP (8035)16
Tous les numéros de champ ETHERTYPE sont supérieurs à (1500)10 soit (05DC)16
3.1.2.4. Le champ données
Le champ données doit comprendre entre 46 et 1500 octets. Si la taille des données à transmettre est inférieurs à 46 octets, le champ de remplissage (padding) est automatiquement complété. 3.1.2.5. Le champ FCS (Frame Check Sequence)
La trame se termine par un champ de vérification de trame : le FCS qui se calcule sur l'ensemble des bits qui suivent le préambule de synchronisation. Ce contrôle d’erreur se fait grâce aux codes polynomiaux avec un polynôme générateur de degré 32 (calcul de CRC).
3.1.2.6. Exercice
Déterminez : ➢ L'adresse MAC du poste source
➢ L'adresse MAC du poste destination
➢ La taille de la trame
➢ Le protocole de communication utilisé (ETHERTYPE) 3.2. La méthode d’accès.
La méthode d’accès est une des caractéristiques principales d’un réseau local. Les performances d’un réseau local vont directement dépendre de cette méthode d’accès. La méthode d’accès du réseau Ethernet en "half­duplex" est le CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). 3.2.1. Principe général.
➢ Quand une station veut émettre, elle commence par écouter les trames qui circulent sur le câble (opération réalisée par la couche physique). Si elle détecte une émission en cours, elle attend avant de AMSI2005110
➢
Page 4/7
transmettre ses données.
Dès que l'émission en cours se termine, la station attend 9,6 Microsecondes avant d'essayer à nouveau d'émettre.
3.2.2. Collisions
➢ Tout devrait se dérouler sans problème, mais si deux stations ayant attendu la fin de la trame dans les conditions précisées plus haut, commence à émettre au même moment, il y a collision.
➢ Les stations émettrices détectent la collision grâce à un processus de détection de collisions (opération réalisée par la couche physique). Elles suspendent leur émission, puis elles renforcent les octets déjà transmis avec une séquence de 4 octets appelée "séquence de brouillage" ­ " jam sequence ". Le but de cette séquence "jam" est de créer un état de collision assez long pour qu'il puisse être détecté par toute autre station émettrice.
➢ La station émettrice génère aléatoirement un délai d'attente ­ backoff delay ­ avant de procéder à un nouvel essai d'émission. Au bout de 16 tentatives, l’émission est abandonnée.
➢ Si des collisions se répètent souvent ­ un compteur existe dans chaque carte d'interface ­ le "backoff" est automatiquement augmenté.
➢ Dès qu'une trame est émise convenablement, le compteur de collisions est remis à zéro et le "backoff" est rétabli à sa valeur de départ.
3.2.3. Cas limite de collision.
Le cas le plus défavorable pour détecter une collision est celui des deux stations les plus éloignées l'une de l'autre sur le réseau. Soient A et B ces stations.
➢ A envoie une trame à B. Cette trame va presque arriver à B alors que cette station s'apprête à envoyer une trame. B n'a aucune raison de ne pas envoyer cette trame car jusqu'à présent elle n'a pas encore entendu la trame qui lui arrive de A.
➢ La collision avec la trame envoyée par A ne va pas tarder. B entend aussitôt cette collision puisque l'accident a eu lieu très près d'elle. Elle envoie une séquence "jam".­Mais A n'entendra ce "fracas" de la collision que lorsque la séquence "jam" lui parviendra. Or cette séquence doit retraverser le réseau de B en A.
➢ Si au moment où la "jam" est presque arrivée, la station A a cessé d'émettre sa trame, elle n'écoute plus les collisions. La station A ne saura plus jamais que sa trame a été détruite ! Conclusion : L'émission d'une trame doit durer un temps au moins égal au double du délai de propagation entre stations les plus extrêmes. L'émission d'une trame doit donc durer 51,2 microsecondes pour assurer la détection de collision dans le cas le plus défavorable. 3.2.3.1. Exercice.
Combien de bits doit on envoyer au minimum pour qu'une trame dure 51,2 microsecondes sur un réseau à
10mbps ?
En 1 seconde, on envoie 10x106 bits, donc en 51,2x10-6 secondes, on envoie 512 bits.
La taille minimum d'une trame Ethernet sur un réseau en 10mbps est de 512bits, ce qui est égal à 64 octets.
NB : On appel "slot time" la durée nécessaire pour envoyer ces 64 octets.
3.2.4. Quelques considérations sur CSMA/CD.
CSMA/CD est une méthode dite "de contention" car les ordinateurs du réseau rivalisent pour accéder au AMSI2005110
Page 5/7
câble. Plus il y a d’ordinateurs sur le réseau, plus le trafic augmente, plus les collisions augmentent, plus le réseau est ralenti. CSMA/CD est une méthode lente. Après chaque collision, les ordinateurs doivent retransmettre leurs données. Si le réseau est très encombré, les tentatives de ces ordinateurs risquent d’entraîner des collisions avec les données issues d’autres ordinateurs. Cette multiplication des collisions risque de bloquer le réseau.
4. FastEthernet.
Il est possible d'utiliser Ethernet à des taux de transfert plus rapide que le débit original de 10 mbps. Cela est possible car la couche physique est indépendante des couches supérieures.
Toutefois pour que la détection de collision soit toujours possible, il est nécessaire de diminuer la longueur maximale des câbles :
➢ A 10 mbps, le câble à une longueur maximum de 2500 m et le slot time est de 51,2 microseconde (il faut 51,2 microseconde pour envoyer 64 octets à l'autre extrémité du câble). ➢ A 100 mbps, le slot time est de 5,12 microsecondes. Donc la longueur de câble doit être au maximum de 250 m.
➢ A 1000 mbps (1 gbps), la longeur de câble doit être au maximum de 25 m.
4.1. Exercice.
Quelle serait la longueur maximum d'un câble à 10000 mbps ?
5. GigabitEthernet
Si on garde exactement les caractéristiques de la norme Ethernet II et qu'on utilise un réseau gigabit, la longueur maximum de câble est de 25m. Cette longueur est tout à fait acceptable pour des liaisons de brassage ou des liaisons inter­serveurs, mais n'est pas utilisable pour relier des clients. La norme à donc été modifié pour que les collisions soient de nouveau détectable dans le cas où un câble fait 100 m. La taille minimum d'une trame gigabitEthernet passe à 512 octets au lieu des 64 originels. Les 448 octets de bourrage supplémentaires sont ajoutés après le champs FCS.
Conclusion : Il y coexistence de deux normes gigabitEthernet qui ne sont pas compatibles entres elles :
➢ 1000baseT : taille minimum de trame 512 octets, longueur maxi de câble 100 m, on pert une grande partie de la vitesse (sauf dans le cas d'envoi de gros fichiers).
➢ 1000baseCX : taille minimum de trame 64 octets, longueur maxi de câble 25 m.
6. Norme IEEE 802.3.
6.1. Introduction.
La norme IEEE 802.3 implémente une version plus souple d' Ethernet. La norme 802.3 permet à de nouvelle sociétés d'encapsuler de manière autonome leurs propres protocoles réseau à l'intérieure de trames Ethernet.
Un poste informatique sera configuré pour communiquer soit avec la norme Ethernet II soit avec la norme IEEE 802.3, mais pas avec les deux en même temps. Les postes d'une norme donnée ne peuvent pas AMSI2005110
Page 6/7
communiquer avec ceux de l'autre norme, par contre sur un même câble, des paquets Ethernet II et IEEE 802.3 peuvent cohabiter.
6.2. La couche liaison.
Les norme IEEE 802.2 et IEEE 802.3 décomposent la couche liaison en 2 sous­couches à savoir la couche MAC et la couche LLC. Couche 2 ou liaison
Sous couche LLC (Logical Link Control)
802.2
Sous couche MAC
802.3
Couche1 ou physique
6.2.1. LSAP.
L'interface supérieure de la couche est "percée" d'un "trou" appelé LSAP pour "Link Service Access Point".
Le LSAP est un mécanisme qui permet de dispatcher les trames arrivant à la couche Liaison vers le protocole réseau qui leur correspond (IP, IPX, ARP). Ceci grâce à un identificateur de protocole porté par la trame liaison. Cet identificateur a été placé sur cette trame par le LSAP de la station émettrice, sur indication de la couche réseau à l'origine de la trame.
AMSI2005110
Page 7/7
6.3. Format de la trame.
Le champ ETHERTYPE de l'Ethernet II est remplacé par le champ "LONGUEUR des données". Ceci est possible puisqu'il n'y a pas de numéros Ethertype inférieurs à 1500, et que au contraire la longueur maximale d'un champ de données est de 1500 octets. Ce champ permet de repérer de manière formelle le type de trame (Ethernet II ou IEEE 802.3).
Le champ dit "LLC" "Link Layer Control" de 3 à 8 octets comprend les champs DSAP, SSAP et CTRL.
Dans le cas où :
DSAP = "AA" (héxa)
SSAP = "AA" (héxa)
CTRL = "03" (héxa)
le système découvre qu'il est en présence d'une trame Ethernet II modifiée au format IEEE 802.3, il lit alors le champ OUI qui donne le code du propriétaire du champ ETHERTYPE, enfin il lit ce même champ.
Si le champ OUI = "000000" (Xerox) alors les références du champ ETHERTYPE sont les mêmes que pour les trames du type Ethernet II, à savoir : 8000 (héxa) pour TCP/IP
8137 ou 8138 (héxa) pour IPX
0806 (héxa) pour ARP ...