ETHERNET ( LONGUE DISTANCE ) COMME RESEAU D’ACCES MÉMOIRE INTERNE : 5ème ANNEE 2009 ETHERNET ( LONGUE DISTANCE ) COMME RESEAU D’ACCES Département signal et télécommunications : Spécialité: Ingénierie des réseaux de télécommunications Responsable : M. CARPENTIER IRT 02 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS Positionnement des réseaux d’accès: MAN Réseaux métropolitains Structure d’interconnexion Bus LAN Réseaux locaux WAN étendus 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km Ethernet et ses évolutions (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) Réseaux d’accès Le réseau d’accès est le’ensemble des liaisons et équipements qui permet de raccorder au cœur des reseaux de transport les instalations des abonnées : Réseaux d’entreprises Simples station ou petit réseau local d’un particulier 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS Contraintes: Couverture d’au moins 10 km Débit entre 10 Mbit/s et 10 Gbit/s Environnement et support (perturbation) Conformité au modèle OSI Pour le transfert de données, détection et la récupération d’erreurs, la compatibilité entre différents constructeurs et la robustesse en cas de panne Lorsque l ’on augmente le débit d ’un réseau Ethernet, le diamètre du domaine de collision est divisé par le même facteur. Ainsi pour Ethernet a 10Mbps, la diamètre est de 2,5 km Lorsque l ’on passe à Fast Ethernet donc à un débit de 1000Mbps, la diamètre n ’est plus que de 250m. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS 1. PRINCIPE Accès aléatoire CSMA/CD 3. Collisions 2. TRAMES 3. SUPPORT DE TRANSMISSION 1. Câble coaxiale 2. Paires torsadées 3. Fibres optiques 4. Conclusion 4. STANDARDS ETHERNET 1. Ethernet Mbs 2. Ethernet commuté 3. Fast Ethernet Giga Ethernet 10 Giga Ethernet Ethernet First Mile 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS L’accès aléatoire : d’Aloha au CSMA Le protocole Aloha laisse les utilisateurs transmettre en toute liberté ce qu’ils ont à émettre. Mais collisions…. Performances : fonctionne bien à faible charge, instable à forte charge Transmission réussie si aucune trame n’est transmise par une autre station avant et pendant la trame courante Le protocole CSMA (Carrier Sense Multiple Access) : Principe d’Aloha avec écoute du canal  réduction du nombre de collisions Plusieurs variantes : CSMA persistant CSMA non persistant CSMA p-persistant CSMA persistant : Canal occupé, station maintient son écoute jusqu’à libération du canal. Canal devient libre, si collision, ré-émission de sa trame au bout d’un temps aléatoire. « Plus poli » que Aloha car on attend que la station ait terminé d’émettre. CSMA non persistant : Si canal occupé, la station ne reste pas en écoute, mais attend une durée aléatoire avant une nouvelle tentative d’envoi. CSMA p-persistant : Si canal disponible, transmission avec une probabilité p. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS CSMA/CD Le protocole CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) Amélioration : quand une collision est détectée, la station arrête sa transmission (gain de temps et de bande passante). Réduit le besoin de mécanismes de retransmission complexes (la station se rend compte que la trame qu’elle envoie n’arrive pas à destination, peut retransmettre automatiquement les trames qui ont subi une collision) CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect - CS: « Ecouter avant de parler » - MA : accès libre au canal si il est libre - CD: capacité à détecter le changement de niveau d ’énergie « écouter pendant que l ’on parle et arrêter de parler si une autre station parle » 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS APPARITION DES COLLISIONS L’écoute ne suffit pas à éviter les collisions : deux stations écoutant en même temps le support libre vont émettre au même moment. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS GESTIONS DES COLLISIONS Elle se fait en trois étapes : Détection de la collision - Par toutes les stations Renforcement de la collision Par toutes les stations qui l’ont détectée - Pour avertir les stations qui ne l’auraient pas détectée Résolution de la collision - Par les stations concernées par la collision Etape 1 : Possible grâce à l’utilisation d’une valeur moyenne non nulle lors de l’émission : Code Manchester + composante continue (offset) Etape 2 : Les stations en collision cessent très vite d’émettre : signal résultant très court et de faible amplitude + atténuation de la propagation sur le bus. Etape 3 : Les stations en collision tirent un temps aléatoire MRTD, M étant calculé selon l’algorithme du BEB (Binary Exponentiel Backoff ). RTD = temps de retournement 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS FORMAT DES TRAMES IEEE 802.3 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 7 octets SFD 1 octet Préambule Adresse destination 6 octets Adresse source Longueur 2 octets 2 ou 6 octets Données Octets de bourrage FCS 4 octets Temps d’inter-trame = 96 temps-bits Taille minimum d’un trame: 64 octets Taille maximum d’une trame: 1518 octets temps S1 émet S2 émet S2 écoute Délai d’intertrame Preambule: Présente en début de trame 7octets initialisés à 10101010 (permet de synchroniser les horloges des stations réceptrices Marqueur de début de trame (Start Frame Delimiter) octet à la valeur 10101011 (permet la synchronisation par caractère) Adresse: 6 octets destination, 6 octets source Longueur: longueur effective des données (entre 0 et 1500) ou type de protocole sur couche reseau Bourrage: Bits de bourrage quand la taille des données < à 46 octets Frame Control Sequence Détection d’erreurs 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 (2Dt) 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 L =longueur du câble réseau (km) c = 200.000 km/s (vitesse du courant) taux = temps de propagation = L/c F = Frame size (bits) B = vitesse de transfert (bits/s) a = portion de risque d'une trame lorsqu'on l'émet sur le canal = taux/T (ex: 1%) 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS LES SUPPORTS DE TRANSMISSION Le support de transmission est caractérisé par : - sa bande passante - sa technique de transmission - son atténuation - sa fiabilité - son poids et encombrement - son coût Trois supports sont utilisés dans les réseaux filaires - La paire torsadée - Le câble coaxial - La fibre optique Le choix du support conditionne le débit maximal et la taille du réseau. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS LE CÂBLE COAXIAL 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. 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. âme blindage isolant gaine  Meilleure BP, moins sensible aux perturbations ( plus grandes distances, plus grands débits - Gbit/s-) que la paire torsadée. Moins cher que la fibre optique. Technologie rodée.  Environ 8 fois plus cher, plus lourd et moins maniable que la paire torsadée  délaissé au profit de la paire torsadée. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS 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 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. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS LES CATÉGORIES DE PAIRES TORSADÉES Catégorie Usage Bande passante Longueur Application 1 & 2 Voix et données à faible vitesse 1MHz 15m Services téléphoniques 3 Voix et données à 10Mbit/s 16MHz 100m Ethernet 10baseT 4 Voix et données à 16Mbit/s 20MHz Ethernet 10Mbit/s 5 6 7 Voix et données à hautes fréquences 100MHz 250MHz 600MHz Fast Ethernet, Gigabit Ethernet 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS LA FIBRE OPTIQUE Bande passante importante (débit > au Gbit/s) Insensibilité aux parasites électriques et magnétiques Faible encombrement et poids Atténuation très faible sur de grandes distances 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) Un câble optique 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS DOMAINES D’APPLICATION DES TROIS SUPPORTS Support Bande passante Application Réseau Paire torsadée > 100 kHz Téléphonie, LAN Ethernet Câble coaxial > 100 MHz Téléphonie, LAN, MAN Anciennement Ethernet Fibre optique > 1GHz LAN, MAN, WAN Interconnexion de réseaux éloignés 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS ETHERNET 10Mbs Ethernet code les signaux par le code de Manchester - Synchronisation assurée Support: Câble coaxial Inconvénient de Manchester : Débit de 10Mbit/s 20MHz de bande passante requis Obsolètes – Un bit à 0  Un échelon descendant » Un signal de tension +V pendant un temps ∆t /2 puis » Un signal de tension -V pendant le temps restant. – Un bit à 1  Un échelon montant » Un signal de tension -V pendant un temps ∆t /2 puis » Un signal de tension +V pendant le temps restant. Problème posé • Avec le codage Manchester Une transition de signal pour chaque bit transmis – Induit de hautes fréquences dans le spectre du signal transmis – Utilisable pour les réseaux à 10 Mbps, mais pas au delà 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS LES EXTENSIONS D’ETHERNET Accroissement du trafic sur les réseaux Nouvelles applications, consommatrices en débit (multimédia) La norme Ethernet est utilisée comme techniques d’accès à Internet Extensions destinées à améliorer les débits disponibles Ethernet commuté (= Ethernet Full Duplex ou Switched Ethernet) Fast Ethernet (100 Mbit/s) Gigabit Ethernet - 10Gigabit Ethernet 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS ETHERNET COMMUTÉ Ethernet Full Duplex ou Switched Ethernet Un commutateur (switch) sert de backbone au réseau Idée : réduire les domaines de collision hub Commutateur (switch) Le réseau repose sur des switchs  plus rapide : pas de collision si architecture entièrement commutée  même type d’interface (paires torsadées..)  extensible, configurable (VLAN)  mais éventuellement problème de congestion si fort trafic vers un unique port 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS FAST ETHERNET Amélioration de la norme IEEE 802.3 (nommé 802.3u) en 1995 Entièrement compatible avec 10BASE-T Ce sont le codage du signal et la catégorie des câbles qui changent. Trois standards: 100Base-T4 100Base-TX - 100Base-FX Entièrement compatible avec 10BASE-T Topologie en étoile : hub ou commutateur avec paires torsadées Protocole CSMA/CD Même format de trame 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

FAST ETHERNET : Codage 8B/6T Utilisation du codage 8B/6T : 8 bits sont codés par 6 symboles qui peuvent prendre 3 niveaux de tension Extrait de la table de codage t +V -V Exemple : codage de la séquence binaire 00100101 (0x25) Historique : implémenter du 100 Mbit/s sur les paires de catégories 3 déjà installées dans les immeubles Au cours d’une transmission, 3 paires sont allouées 1 paire réservée pour transmission simplex station vers hub 1 paire réservée pour transmission simplex hub vers station Les 2 autres paires sont allouées dynamiquement  Les paires de cat. 3 ne permettent pas de couvrir une distance de 100m à 100Mbit/s si code de Manchester conservé 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS FAST ETHERNET : Codages 4B/5B et MLT3 1/125 µs 40 ns « 0 » « E » 5 bits transmis en 40ns = 4 bits utiles en 40ns  Débit binaire (utile)= 100Mbit/s Débit brut : 125Mbit/s Utilisation du codage 4B/5B : 4 bits sont codés par 5 bits Utilisation du codage MLT3 : Changement d’état pour bit à 1 Ce n’est pas le type de câble implanté de base dans les immeubles Précodage 4B/5B : 4 bits utiles codés par 5 bits choisis Pour maintenir la synchronisation Pour permettre la détection d’erreur Certaines combinaisons de 5 bits servent à la signalisation (détection du début des trames) Codage bloc nB/pB (par exemple 4B/5B) – Découper les séquences de bits à transmettre en blocs de « n » bits – Associer à chaque bloc de « n » bits un bloc de « p » bits – Avec « p > n », il devient possible de choisir les distributions de 0 et 1 transmises Codage à plusieurs niveaux – Trois ou cinq niveaux de tension à la place des deux utilisées par le codage Manchester 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS FAST ETHERNET : Codages 4B/5B et NRZI 1/125 µs 40 ns « 0 » « E » 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 Utilisation du codage NRZI: changement d’état pour bit à 1 Distance : 400m (half-duplex) ; 2km (full-duplex) En full-duplex, pas de collisions  les segments ne sont plus limités en taille pas la procédure de détection de collision 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS FAST ETHERNET : COHABITATION 10MBIT/S ET DU 100MBIT/S La plupart des commutateurs peuvent gérer des stations 10 et 100 Mbit/s. Principe de l’auto-négociation Les stations négocient le débit utilisé et le mode de transmission duplex ou semi-duplex. Les commutateurs négocient le débit. La plupart des commutateurs peuvent gérer des stations 10 et 100 Mbit/s. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS FAST ETHERNET : SYNTHÈSE Nom Type Longueur max segment Mode de transmission Codage 100Base-T4 Paire torsadée UTP 3, 4, 5 100m Half-duplex 8B/6T 100Base-TX UTP5 ou STP Full-duplex 4B/5B puis MLT-3 100Base-FX Fibre optique multimode 2000m Full-Duplex 4B/5B puis NRZI 400m Half-Duplex 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS GIGA ETHERNET Quatre standards qui permettent le half-duplex et le full-duplex Norme IEEE 802.3z, ratifiée en 1998 Entièrement compatible avec toutes les normes Ethernet précédentes Paire torsadée ou fibre optique Mode full-duplex : utilise un commutateur Mode half-duplex : utilise un hub Nom Type Longueur max segment Remarques 1000Base-SX 2 fibres optiques 550m Multimode 1000Base-LX 5000m Monomode ou multimode 1000Base-CX STP (2 paires) 25m Paires torsadées blindées 1000Base-T UTP (4 paires) 100m Paires torsadées non blindées catégorie 5 et plus « 1000BASE-X » Mode full-duplex : utilise un commutateur Mode switch-to-switch et mode switch-to-end-station (de commutateur à commutateur ou à station) Pas de collision possible : CSMA/CD non appliqué  limitation physique des distances, pas de pb de taille de trame Mode half-duplex : utilise un hub Les stations sont connectées directement à un hub : collisions CSMA/CD modifié (sinon pb de distance) : extension de trame ou mode rafale 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS LES TECHNOLOGIES 1000BASE-X Utilisent un codage 8B/10B 2 fibres optiques ou 2 paires STP - 1 fibre (1 paire STP) pour l’émission - 1 fibre (1 paire STP) pour la réception Débit de 1250 Mbits/s sur chaque fibre (ou câble STP) 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS GIGA ETHERNET Tendances du marché : Le Gigabit sur cuivre (802.3ab) préserve les équipements Ethernet 10/100/1000 économique (moins cher que la fibre) fonctionne sur la majorité des câbles catégorie 5 installés Interconnexion haut débit entre switch économique (10x la bande passante du 100 Mbit/s pour 3x de coût en plus) 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS 10 GIGA ETHERNET 10 Gigabit Ethernet Alliance : 802.3ae Les enjeux du 10 Gigabit Ethernet Elimination des trunks en Gigabit Ethernet (permet de réduire le nombre de fibres) Solution économique pour les accès MAN - Extension de l’Ethernet au MAN, WAN, tout en gardant une parfaite connectivité avec le LAN 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS Ethernet First Mile ou 802.3ah Standard Ethernet pour les réseaux d’accès Utilise le 1000Base-X: fibre optique et codage 8B/10B Possibilités connexion point-à-point et point-à-multipoint 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS Ethernet First Mile ou 802.3ah Point to Point EPON Division 1:1 1:16 1:32 Débit voie descendante 2x10 Gbps Nombre Maximum d’abonné 240 480 960 Débit minimum par abonné 80 Mbps 40 Mbps 20 Mbps 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS

David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS Conclusion Une seule technologie de l’abonné jusqu’au cœur du réseau. Pas de changement d’infrastructure. Pas de diminution du débit au niveau du réseau d’accès. 27/03/2009 David MAUSSAND - Alexis MEILHAC - Alban THEYS