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RLI

Réseaux Locaux et InterconnexionsL3 Informatique

Cours : Jean-Jacques Pansiotpansiot@unistra.fr

TD/TP : Pascal Mérindolmerindol@unistra.fr

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LAN

Canal partagé Câble, canal radio

Réseau local :Méthode d’accès

Limites en étendue,débit

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Interconnexion : pont

Pont

Pont/commutateur ethernetFiltrageSuppression des boucles=> Réseau local « étendu »

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Interconnexion : routeurs

R

RLAN = sous-réseau IPRouteurRoutage adressageEx : réseau d’entreprise

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Interconnexion : inter-domaineR

R

R

R

R

R

R

RRouteurs frontièrePolitique de routage

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Réseaux Locaux

• LAN : Local Area Network– concept apparu début années 80– Local : quelques mètres à quelques kilomètres– distances faibles

• débits élevés à moindre coût• infrastructure privée

– moins de contraintes réglementaires– propriétaire du réseau = propriétaire des murs

– En général réseau d’égal à égal• toute station avec toute autre

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Réseaux Locaux

• Infrastructure partagée– Niveau 0 gaines, tubes, armoires, …– Niveau 1 support de transmission

• câbles métalliques (paires torsadées, coaxial)• fibres• Canal radio (Wifi)• répéteurs/hub, transceiver, « modems »

– Niveau 2• ponts/switch

– Eventuellement niveau 3 et + (routeurs,firewall,…)

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Réseaux Locaux

• Objectifs– fournir connectivité de tous vers tous

• fiable• équitable• transparente• extensible (débit, nombre de machines,

étendue ?)– à faible coût (installation, maintenance, …)

• => PARTAGE

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Réseaux Locaux

• LAN = multiplexeur distribué• Comment contrôler accès au réseau :

– éviter les conflits (« collisions »)• ou les résoudre

– accès équitable– délai d’attente limité

• => méthodes d’accès

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Réseau partagé

Si S1 SN S2 S4 S3

infrastructure partagée (câble, canal radio, …)

Quand peut-on émettre ?

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Méthodes d’accès (1)

• Certaines inspirées du multiplexage– méthodes statiques– méthodes dynamiques centralisées– méthodes dynamiques distribuées

• préventives (pas de conflit)• curatives (résolution des conflits)

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Méthodes d’accès (2)

• Méthodes statiques– multiplexage en fréquence ou temporel– peu adaptées aux flux informatiques à

débit variable• Méthodes dynamiques centralisées

– Polling• entité maître interroge les esclaves• donne droit d’émettre• extensibilité ? fiabilité ?

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Méthodes d’accès (3)

• Méthodes dynamiques distribuées– méthodes distribuées préventives :– ex : méthodes à jeton– jeton = message donnant droit à émettre– nombreuses variantes méthodes– dépendent

• topologie du réseau (anneau, bus)• architecture matérielle

– Exemple : bus à jeton (token bus)

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Bus à jeton

• topologie en bus– support partagé– tout le monde entend tout le monde– 2 (ou +) émetteurs simultanés = collision

• => trames erronées

• Algorithme déterministe :– qui peut émettre ? Token bus

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Réseau en bus

Si S1 Sn S2 S4 S3

Emission trame S1Emission simultanée S4collision

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Principe

• Stations organisées en anneau logique– S1, S2, …, Sn

– fonction successeur• succ(Si) = si i < n alors Si+1 sinon S1 fsi

• jeton circule sur anneau– jeton (= petite trame spéciale) adressé– Si envoie jeton à succ(Si)– toute station « voit » le jeton (bus)– seul destinataire « capture » le jeton

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Principe (2)

• Lors de la réception du jeton par Si= le jeton lui est adressé

–si trame à émettre• envoyer une (ou plusieurs) trames de données• En général quantité limitée (ex : 1 trame)

–envoyer jeton à succ(Si)• Données :

–les trames de données (adressées) atteignentdirectement leur(s) destinataires(s) : bus–Possibilité de diffusion (broadcast)

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Fiabilité

• Panne station ne coupe pas le réseau– Physiquement (mais perte jeton ?)

• bus : tout le monde peut surveiller le jeton– circulation jeton

• absence jeton et trame de données (silence)=> perte jeton et/ou panne station

• si Si ne ré-émet pas le jetonSi-1 peut lui renvoyer (perte jeton ?)

• si pas de résultat (panne Si ?) Si-1 peut l’envoyer à Si+1nécessite de connaître successeur du successeur

=> écoute du jeton par exemple

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Insertion station

• Comment ajouter une station ?– Nouveau ne peut se faire connaître

• car on ne lui donne pas la parole (le jeton)– idée :

• nouvel arrivant écoute bus• à intervalle régulier

– possesseur du jeton Si envoie requête (broadcast)« Y a-t-il un (des) nouveau(x) » ?

– Nouveau répond avec son identité X– Si lui envoie succ(Si) et change de successeur : X– X s’insère donc entre Si et Si+1

• Si plusieurs nouveaux en même temps ?– collision ré-essayer après délai aléatoire : voir CSMA/CD

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Garanties de délai/débit

• Durée de rotation du jeton– Ex :

• jeton de 200 bits, trames de données 10 000 bits max• réseau 10 Mb/s, 100 stations, propagation 10µs

– « à vide » jeton fait un tour en• 100 * (200/107 + 10µs) = 3 ms minimum• Attente moyenne à vide 1,5 ms• Débit max 10 000/(10 000/107+0,003) = 2,5 Mb/s (≠ 10 Mb/s !!)

– « à pleine charge » (chaque station envoie 10 000 bits)• Rotation : 100 (10 000/107 + 200/107 + 10µs ) = 103 msDébit garanti = 10 000/0.103 = 97 Kb/s (théorique) Total ?

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Synthèse jeton sur bus

• Possibilité de garanties délai et débit– Déterminisme (en l’absence de panne/insertion)– rotation jeton « lente »

• Pénalise à faible charge• Bonne utilisation à forte charge

• panne station détectable• Difficulté insertion station

– peu adapté réseaux dynamiques• A été utilisé réseaux industriels « temps

réel » (ieee 802.4)

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Méthodes d’accès curatives

• Méthodes utilisées– réseaux à diffusion

• réseau radio ou• bus physique

– exemples• Aléatoire pure (Aloha)• CSMA• CSMA/CD• CSMA/CA

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Méthode Aloha

• Contexte : réseau radio– stations partagent le même canal radio

=> émissions « simultanées » = collision– Algorithme

si trame à émettrealors émettre trame

– Délai avant émission nul– si collision : trames perdues

• ré-émission prise en charge par couche supérieure fiable– ex TCP– => délai élevé en cas de collision, perte bande passante

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Performances Aloha

– Hypothèses (pas toujours réalistes)• nombre arbitrairement grand de stations• émetteurs indépendants suivant loi de Poisson• D = débit maximal théorique en trames/s

– ex : 1 Mb/s trames de L = 1000 bits : D = 1000 trame/s– durée émission trame t = 1/D = 1 ms

• G = charge totale émissions + ré-émissions– G = nombre de trames (ré)-émises /D– ex 100 émetteurs envoient chacun 8 trames/s => G = 0,8– G peut être supérieur à 1 (mais problème !)

• Proba(k émetteurs pendant t) = Gk e-G /k!0 émetteurs pendant t : e-G , 2t : e-2G

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Performances Aloha (2)

– Débit utile en fonction charge• période de contention dure 2t :[ t0 - t , t0+ t ] si la trame est émise en t0• Proba (émission réussie) = proba (0 émission en 2t)• Débit utile (en trames par période t)= G e-2G

• Débit utile maximal pour G = 1/2 et vaut 1/2e = 0,184(voir Tanenbaum pour les calculs)ex G=1/2 => 500 trames/t dont 184 « passent »

18,4% OK, 31,6% collision, 50% videG < 1/2 => moins de collisions mais moins de débit

G > 1/2 => collisions augmentent• Si G tend vers l’infini, débit utile tend vers 0

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Problèmes Aloha

– Nombre de collisions• croissant avec la charge• => peut-on en éviter tout ou partie ?

– Durée d’une collision (= temps perdu)• durée d’une trame complète• => peut-on réduire cette durée ?

– Durée de réparation d’une collision• retransmission par une couche supérieure• délai de garde (TCP, …)• => peut-on réduire ce délai ?

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Amélioration Aloha

– Amélioration possible• diminuer période de contention• Aloha en tranche (ou discrétisé)

– émetteurs synchronisés : 1 top tous les t (= tranche)– Émetteur(s) n’envoie(nt) qu’à un top– => période de contention dure t (au lieu de 2t)– Débit utile (rendement ) = G e -G– => maximum atteint pour G = 1– rendement max 1/e = 0,368 (double d’Aloha pur)

– Autre amélioration• diminuer nombre de collisions : CSMA

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CSMA

– Carrier Sense Multiple Access• Réseau à diffusion et écoute du signal• Principe : émetteur écoute le canal avant d’émettre

– Suppose que l’émetteur peut aussi recevoir• Algorithme

Si trame à émettreSi canal occupé attendre recommencerSinon émettre trame

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CSMA (2)

• Plusieurs stratégies suivant politique d’attente– émission dès que le canal est libre : CSMA persistant

» - risque d’accumuler les collisions après une trame» deux stations attendent qu’une troisième ait fini» + délais courts

– attendre un délai aléatoire avant d’écouter de nouveau» CSMA non persistant» avantage et inconvénients inversés

• Collisions toujours possibles– émissions « simultanées »

» au temps de propagation près» quelques dizaine de µs dans ethernet (contention)» alors qu’émission de 10 000 bits à 10 Mb/s = 1 ms

• Temps perdu pendant les collisions émission d’une trame complète => amélioré par CSMA/CD

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CSMA/CD

• CSMA with Collision Detection• CSMA avec détection de collision (par les émetteurs)• Suppose que physiquement un émetteur

– émet une trame– simultanément écoute le signal (donc réception particulière)– principe : signal émis ≠ signal reçu => collision détectée

• Algorithmesi trame à émettre

attendre canal libre suivant CSMA persistant ou noncommencer à émettre la trametant que émission non terminée

si collision détectéearrêter émission,attendre un certaine délairecommencer au début

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CSMA/CD (2)

• A priori s’il y a une collision– détectée après au plus 2t– Où t = temps de propagation aller– au bout de t toutes les stations reçoivent signal– => émettent au plus tard en t- ε– signal collision revient en au plus t : total < 2t– nécessite que le premier soit encore en émission

• Réduction temps perdu par collision ( ~ 2t)– intéressant si 2t << temps émission trame complète

• collision détectée rapidement => ré-émission plus rapide

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CSMA/CD (3)

• CSMA/CD et taille des trames– L taille trame minimale– D débit binaire– t = temps de propagation aller maximal entre 2 stations

Station A

Station B

Emission trame : L/D

t t

collision détectée si A émet encore

1er bit de B arrive en A1er bit de A arrive en B

Condition L/D > 2t

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CSMA/CD : attente avant ré-émission

• Combien de temps attendre avant ré-émission ?– délais fixes identiques => collision se répète– délais fixes différents => priorités– délais aléatoires

» intervalle court => attente faible, répétition collisionfréquente

» intervalle long : l’inverse– Binary Exponential Backoff– à la kième ( k≥ 0) tentative de retransmission d’une trame

» tirer i aléatoirement dans [0, 2k[» attendre un temps i . T où T est l’unité de temps > 2t

– Collision se répète si et seulement si parmi les i tirés» 2 émetteurs ont tiré la (même) valeur minimale

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CSMA /CD : attente (2)

– Exemple Binary Exponential Backoff avec 2 émetteurs» première collision chaque émetteur tire 0 ou1

proba 1/2 de répéter collision» deuxième essai chaque émetteur tire 0, 1, 2 ou 3

=> proba 1/4 de répéter collision» décroît très rapidement quand k augmente

– Note» possibilité de collisions multiples (plus de 2 émetteurs)

=> toutes les stations n’ont pas forcément le même k– En pratique dans ethernet

» i tiré dans dans [0, 2min(k,10)[ : attente < T * 210

» k limité à 16» => au delà de 16 retransmissions la trame est abandonnée

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Synthèse CSMA/CD

+ Attente nulle si réseau peu chargé• comme Aloha

+ Collisions limitées et retransmission rapideniveau LAN (indépendant couches hautes)

- Pas de garantie de délai- exemple T = 50 µs, => 210 T = 51,2 ms

- Pas de garantie que la trame sera transmise !!- Pas de garantie de débit minimum+ Mais en pratique fonctionne très bien (ethernet)

- si peu d’émetteurs- ou réseau non saturé (exemple 30%)

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CSMA/CA

– CSMA/CD pas toujours possible• impossibilité émettre/écouter simultanément ou• signal autre émetteur non audible

– exemple du terminal caché réseaux sans fil» distance trop grande entre émetteurs» ou obstacles

– CSMA/CA Collision Avoidance• « évitement de collision »

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Terminal caché

portée de A

A CB

portée de C

A n’entend pas C : collision en B

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Terminal exposé

portée de B

A DB

C entend B qui émet pour AC n’émet donc pas alors que D hors de portée de B

C

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Ex : MACA

– Multiple Access with Collision Avoidance• émetteur potentiel envoie trame RTS

– Ready to Send avec taille trame à émettre, destinataire» tout ceux à sa portée sont au courant

• récepteur (s’il a reçu RTS) envoie trame CTS– Clear To Send (taille trame)

» tout ceux à sa portée sont au courant• si émetteur reçoit CTS => envoie trame• récepteur envoie acquittement dans la foulée

– Echec (pas de CTS) : recommencer plus tard (aléatoirecomme CSMA/CD)

• améliorations : écouter avant d’émettre• envoyer courte trame d’acquittement (remplace CD)• principe utilisé dans WiFi 802.11

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RTS/CTS

portée de B

A DB

B veut émettre vers C B envoie RTS(C, L) A attend (~durée L) C envoie CTS(L) D attend ( ~durée L) B envoie trame (durée L) C envoie Ack A et D débloqué

CRTSRTS

CTS CTS

trametrame

Délai LDélai LDélai L

Ack Ack

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Normalisation des LAN

• Comité 802 de l’IEEE– normalise les LAN– premières normes en 1985– certaines normes accessibles par internethttp://standards.ieee.org/getieee802/802.html

• Certaines des normes reprises par l’ISOex IEEE802.3 => ISO 8802-3

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Architecture IEEE802

• La couche liaison (2 de l’ISO)– découpée en deux sous-couches

• couche MAC : Medium Access Control– définit une méthode d’accès (CSMA, …)

• couche LLC : Logical Link Control– commune aux différentes couches Mac– définit un protocole de liaison

» lien « virtuel » entre deux stations» 3 types de protocole suivant le service» LLC type 1 : datagramme non fiable (le + utilisé)» LLC type 2 : avec connexion, fiable (à la HDLC)» LLC type 3 : sans connexion, avec acquittements

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Architecture IEEE802 (2)

• Réseau local normalisé défini par– une méthode d’accès (couche Mac)– une couche physique

• caractérisée par plusieurs paramètres– support (paire torsadée, coaxial, fibre, canal radio)– débit– encodage (adapté au support et au débit)– paramètres du réseau (distance, nombre

équipements, …)

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Architecture IEEE802 (3)

Mac1

Phy

Mac2

Phy

Mac3

Phy

Macn

Phy… …

LLC

Management, bridging 802.1

802.2

802.3,4,5…

couche 2OSI

couche 1OSI

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Types de LAN IEEE

• Quelques exemples– 802.3 : CSMA/CD « ethernet »

• nombreux débits et supports– 802.4 : Token Bus - Bus à jeton– 802.5 : Token Ring - Anneau à jeton

• plusieurs débits et supports– 802.11 : Wireless « WiFi »

• plusieurs débits et « supports »– 802.15 : Wireless Personal Area Networks « Bluetooth »– 802.16 : Broadband Wireless Metropolitan Area Networks

« Wimax »

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IEEE802.3

• Protocole CSMA/CD– première norme en 1985– basée sur ethernet (Digital/Intel/Xerox),

• avec quelques différences

– évolution constante débits/supports• norme actuelle > 2600 pages

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IEEE802.3 : trame

• La trame 802.3adresse

destinationadressesourcepréambule données FCSlongueur

ou typeSFD

tous les champs : nombre entier d’octets préambule : synchronisation 7 octets 10101010 (début peut être perdu) SFD : Start of Frame Delimiter 1 octet 10101011 exemple en 10baseT, dépend de la couche physiqueadresse destination : 6 octetsadresse source : 6 octetslongueur ou type (ethertype) : 2 octetsdonnées : 46 à 1500 octets ( + y compris bourrage éventuel)FCS : Frame Check Sequence : 4 octets code polynomial détecteurX32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X1 + 1

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IEEE802.3 : adresses• codées sur 6 octets « adresses mac »

– premier bit (= bit poids faible 1er octet)• 0 : adresse individuelle (= adresse d’interface réseau)• 1 : adresse de groupe multicast (seulement destination)

– ex : 01:80:c2:00:00:00 (protocole spanning tree)– cas particulier ff:ff:ff:ff:ff:ff broadcast

– deuxième bit• 1 : adresses allouées localement, ou non universelles

– Ex : adresses multicast• 0 : adresses universelles 24 bits fabricant, 24bits #série

– ex 00:0d:93:c8:91:9c 00:0d:93 = Apple– voir http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt– adresse Mac non volatile sur la carte

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IEEE802.3 (2)

• Longueur de la trame (hors préambule) :– garantir Lmin/D > 2t (car CSMA/CD)

• choix Lmin = 64 octets– => 2t < 51,2 µs à D = 10Mb/s : limite taille réseau

• si données < 46 octets : padding

• Même champ peut coder le type (ethertype)– hérité de l’ethernet initial ( ≠ 802.3)

• identifie protocole supérieur• Ex en hexa : 0800 => IPv4, 0806 => ARP, 86DD => IPv6http://www.iana.org/assignments/ethernet-numbers• valeurs disjointes avec longueurs possibles• => cohabitation 2 types de trames même réseau

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Encapsulation 802.2 + SNAP

– 802.2 en mode datagramme (le + courant)– Entête 802.2 SSAP (1 octet) DSAP (1 o) Commande (1 o)– si SSAP = DSAP = 0xAA et Commande = 0x03

• transporte couche SNAP– Subnetwork Access Protocol : voir RFC 1042– 5 octets : 3 octets « autorité » , 2 octets « ethertype »– pour protocoles internet , autorité = 0

– Permet de transporter des protocoles différents• Au dessus de 802.3+802.2• Valable aussi pour d’autres couches mac

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Exemples de trames

• Broadcast ethernet protocole ARP00:05:85:8a:5c:5d > ff:ff:ff:ff:ff:ff, ethertype ARP (0x0806), length 64: arp• Multicast 802.3 + 802.2 Spanning tree Protocol00:0e:d7:ff:1c:50 > 01:80:c2:00:00:00, 802.3, length 64: LLC, dsap STP (0x42),

ssap STP (0x42), cmd 0x03, 802.1d• Ethernet : protocole IP unicast00:0d:93:c8:91:9c > 00:00:5e:00:01:33, ethertype IPv4 (0x0800), length 122: IP

130.79.90.153 > 130.79.200.11• Ethernet protocole IPv6 (et multicast)00:05:85:82:f8:3e > 33:33:00:00:00:09, ethertype IPv6 (0x86dd), length 1070:

fe80::205:8500:282:f83e.521 > ff02::9.521:802.3 + 802.2 + SNAP + IPX• 00:00:74:9d:2c:f4 > ff:ff:ff:ff:ff:ff, 802.3, length 64: LLC, dsap SNAP (0xaa), ssap

SNAP (0xaa), cmd 0x03, (NOV-ETHII) 00000000.00:00:74:9d:2c:f4.4100 >00000000.ff:ff:ff:ff:ff:ff.0452:ipx-sap-nearest-req 0004

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Algorithme récepteur

• Interface ethernet peut accepter plusieurs adresses• adresse de la carte (par défaut ou modifiée par ifconfig),

adresse broadcast + liste adresses multicast (si configurées)

• Récepteur ethernet– vérifie trame valide

• longueur multiple 8 bits, checksum correct• longueur ≥ 64 octets (sinon fragment collision) et ≤ 1518• => sinon ignorée

– si oui et si adresse destination non acceptée• => trame ignorée (sauf mode promiscuous)

– si trame valide et adresse destination acceptée• => trame fournie au « bon » protocole supérieur• (d’après champ ethertype ou SNAP)

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Ethernet : couches physiques

• Différentes instances débit/support/codage• Pour chaque instance

– codage (ex : 10 Mb/s : codage Manchester)– limitations sur le dimensionnement

• types et longueurs de câbles• équipement intermédiaires (répéteurs)• limitations globales (CSMA/CD )

• Répéteur (hub)– équipement interconnectant 2 ou plusieurs câbles– répétant le signal de chaque entrée vers toutes les sorties (~ampli)– permet augmentation distances et nombre stations– ne filtre pas : pas de limitation des collisions– câbles + répéteurs = 1 seul domaine de collision

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Exemple ethernet 10 Mb/s

– L/D > 2t => 2t < 51,2 µs (= SlotTime)• on doit limiter la taille du réseau

– Ordres de grandeur• traversée d’un répéteur ~2,2 µs• propagation 500 m coaxial ~2,2 µs

– 5 segments de câble reliés par 4 répéteurs• ~ 51 µs aller retour (< 512 bits)

– limite de 4 répéteurs « en série »

– Note : possibilité d’un + grand nombre de répéteurs• S’ils ne sont pas en série (arbre)

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Evolution ethernet

– Initialement 10Mb/s bande de base (half-duplex : CSMA/CD)• 10base5 sur coaxial « épais » (segments 500m max)• 10base2 sur coaxial fin (segments de 185m max)• répéteurs coûteux, 2 ports• + liens inter-répéteurs fibre• 10 base FL fibre optique (≤ 2km en PàP, half ou full duplex)

– Apparition du 10baseT• segments de 100m max sur 2 paires torsadées• Point à Point half ou full duplex (si pas de répéteur)• répéteurs avec nombreux ports (8, 16, …)• câblage systématique en étoile• répéteurs, câblage moins coûteux => expansion des LAN

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Evolution ethernet (2)

– Apparition du 100Mb/s « fast ethernet »• nécessité de diviser le délai max par 10• 100baseTX jusqu’à 100m sur 2 paires torsadées cat5• 100baseFX en fibre multimode

– jusqu’à 412m en half duplex (2km en FD)• possibilité Full-Duplex• possibilité auto-négociation (10 ou 100, Full ou Half)• Maximum 2 répéteurs classe II ou 1 répéteur « lent » classe I• => réseau de petit diamètre (205m max en cuivre)

– Généralisation des ponts/switchs/commutateurs ethernet• permettre de diviser le domaine de collision• interconnecter des débits différents

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Evolution ethernet (3)

– Apparition du 1000Mb/s « gigabit ethernet »• impossibilité de diviser encore le délai max par 10

– trames agrégées en burst si possible– sinon suivies de bourrage– => 4096 bits minimum– +> délai max conservé, mais pertes d’efficacité si petites trames– 1000baseTX (segment cuivre 100m)– 1000baseLX ou SX (fibre)

• En pratique surtout des switchs (plus de CSMA/CD)– Apparition du 10Gb/s

• plus de half duplex (donc ni répéteur ni CSMA/CD)• liens point-à-point entre machines ou switchs

– En cours : ethernet 100G …

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RJ45• Prise RJ45 4 paires torsadées• 2 paires utilisées par 10baseT, 100baseTX, 4 paires pour 1000base-T• Câble droit entre machine et hub ou pont• Câble croisé entre 2 machines (paire émission sur paire réception)

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Ex : câble 4 paires torsadées

Source : wikipedia, photo Christophe Jacquet

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câblage systématiqueprise bureau local câblagePC Câblage fixe

rocade

Hub, switch, routeur