Gigabit et 10 Gigabit Ethernet BOITON Florent DESS IIR MORIN Frédérique 2000/2001

PLAN Introduction Gigabit Ethernet 10 Gigabit Ethernet Haut-Débit : Ethernet vs autres technologies Introduction: intro+ rappel d ’Ethernet Conclusion

Introduction Pourquoi du haut-débit ? Pourquoi Ethernet ? Applications multimédia Evolution vers les applications client-serveur Augmentation de la puissance des postes de travail Pourquoi Ethernet ? Le plus utilisé à travers le monde Simple et peu onéreux Client-Serveur: donc besoin de BP sur les réseaux Puissance des postes travail: 10 --> 100Mbs 56k --> xDSL

Rappels : Principes d ’Ethernet développé en 1976 par Xérox topologie en bus méthode d ’accès au support : CSMA/CD implémentations physiques : 10 BASE 5, 10 BASE 2, 10 BASE T, 10 BASE F 1976 Xérox : sur les bases des travaux du laboratoire ALOHA de l’université d’Hawaï. 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 »

PLAN Gigabit Ethernet Objectifs d’élaboration Architecture du protocole Méthode d’accès au support Câblages et distances max. Groupe de Travail

Objectifs d’élaboration débit de 1000 Mbps conformité avec les standards Ethernet format des trames mode CSMA/CD opérations en half duplex et full duplex interopérabilité avec Ethernet & Fast Ethernet utilise l’infrastructure Ethernet existante domaine de collision de 200 mètres technologie FibreChannel pour la couche physique Tout d’abord, les objectifs d’élaboration de la nouvelle norme proposés par le groupe de travail de IEEE 802.3z Dans un premier temps, bien sûre du débit de 1 giga bits par seconde Ensuite la conformité avec les standards Ethernet tel que la taille de trame, la méthode d’accès au support sur laquelle je reviendrai ensuite Qui dit conformité avec les standards Ethernet, dit interopérabilité avec Ethernet et Fast Ethernet et donc compatibilité avec l’existant, sachant que la technologie Ethernet est la plus répandu au monde. représente approximativement 80% des réseaux IEEE 802.3 fixe le diamètre du domaine de collision à 200 mètres, nous en verrons la raison. Et enfin, l’utilisation de la technologie FibreChannel pour la couche physique. On cherche donc à minimiser les changements à apporter au réseau Ethernet existant. Gigabit Ethernet a été alors normalisé en juin 1998 sous IEEE 802.3z normalisé en juin 1998 sous IEEE 802.3z

Ethernet + FibreChannel = Gigabit Ethernet Architecture de protocole Ethernet + FibreChannel = Gigabit Ethernet Ce schéma nous montre comment les composantes clés de chaque technologie ont été combiné pour former Gigabit Ethernet On a vu que l’une des règles déterminé par IEEE 802.3z était de conserver Ethernet pour les couches supérieures à la couche liaison (couche liaison comprise) et d’utiliser FibreChannel pour la couche physique FibreChannel (architecture, pas protocole) : techno de transmission de données entre les périphériques d ’un ordinateur à une fréquence de 1 Gbps. Essentiellement pour relier serveur et périphériques de sauvegarde, clusters. Cette combinaison permet de réduire considérablement la complexité de la nouvelle technologie ; celle-ci est stable et peut être rapidement développée.

Couche physique Architecture de protocole Le modèle réel du Gigabit Ethernet est montré sur le schéma suivant. La couche physique se compose de trois sous-couches : PMD (Physical Medium Dependent) : Cette sous-couche transmet les bits sur la fibre en les transformant en signaux lumineux. Elle varie en fonction des caractéristiques physiques du support c'est-à-dire des émetteurs et récepteurs optiques, des câbles, des connecteurs, etc. Afin d’être compatible avec le câblage existant et les standards du Fibre Channel, on doit employer des longueurs d’onde de 860 nm (une longueur d'onde courte) ou de 1300 nm (une longueur d'onde longue). PMA (Physical Medium Attachment) : cette sous-couche PMA se charge de la sérialisation, c’est à dire bit par bit, et désérialisation afin d’envoyer les données sur la fibre optique. PCS (Physical Coding Sublayer) : cette sous-couche fournit un codage adéquat des bits : le codage 8B/10B. Le principe est de coder, à l’aide d’une table de correspondance une série de 8 bits en un symbole de transmission de 10 bits (appelé Transmission Character) qui est ensuite envoyé sur la fibre. Ensuite, chez les récepteurs, l’opération inverse est effectuée. Les Transmission Characters reçus sont décodés en séries de 8 bits pour être envoyés aux couches supérieures. Un Transmission Character a 1024 valeurs possibles (210 combinaisons) ; parmi ces combinaisons,ne sont utilisées que 256 pour coder les données (28). L’importante différence entre le nombre de valeurs possibles et utiles permet de choisir avec soin quelle symbole de 10 bits correspondra à une série de 8 bits. Parmi les 1024 combinaisons, nous ne retiendrons que celles qui comprennent moins de quatre transitions et qui ont au plus six zéros consécutifs, même entre les symboles. Cette dernière précision signifie qu’il n’y aura, par exemple, aucun symbole finissant par 4 zéros et des symboles commençant par 3 zéros car s’ils étaient envoyés l’un après l’autre, il y aurait 7 zéros de suite. En ne gardant que des symboles possédant ces caractéristiques précises, on va pouvoir améliorer le transfert de l’information via la fibre optique. Ce nouveau codage exclut le risque de perdre la synchronisation-bit lors de l’émission de longues séquences de zéros. De plus, si l’on choisit bien les symboles qui représentent une série de 8 bits, on peut diminuer la probabilité d’envoyer un ou plusieurs bits erronés. Certains des 768 symboles restants sont des caractères spéciaux employés pour diverses opérations (ex: indiquer l’état de la liaison optique, délimiter les trames, etc.). La signification de ces caractères se trouve dans une table présente dans les émetteurs et les récepteurs. Notons que le codage 8B/10B nécessite une vitesse de transmission supérieure à 1 Gbps au niveau de la couche physique. En effet, la sous-couche PMD doit pouvoir opérer à 1250 Mbps, du fait que les Transmission Character de 10 bits sont 25% plus longs que les séries de 8 bits. MII : Medium Independent Interface. MDI : Medium Dependent Interface.

Méthode d ’accès au support Comme Ethernet : CSMA/ CD Problème Solution Carrier Extension Packet Packing  Frame Bursting L’Utilisation de la même méthode d’accès au support que Ethernet signifie que GE est compatible avec les quelques 100 millions de nœuds Ethernet déjà existants. Cependant il existe un problème que nous allons voir et également les différentes solutions qui ont été proposées et celle retenue.

Problème débit   diamètre du domaine de collision  Méthode d ’accès au support Problème débit   diamètre du domaine de collision  10Mbps  2500m 100Mbps  250m 1000Mbps  25m : aucun intérêt IEEE 802.3 fixe à 200m ce diamètre  taille minimum de trame = 512 octets 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. Dons dans le cas de Gigabit Ethernet (1 Gbps), le diamètre serait de 25m ; ce qui n ’a aucun intérêt. Le groupe de travail de l ’IEEE 802.3z a fixé ce diamètre à 200m. Il faut donc alors multiplier le nombre de bit minimum de la trame par 8 pour détecter une collision. Les trames seraient donc de 512 octets. Cette augmentation considérable de la taille de trames entraînent alors un nouveau problème : les sous - réseaux ayant des vitesses de transmission différentes ne peuvent plus fonctionner convenablement. Les petites trames venant d’un réseau plus lent seraient reformater pour être envoyer vers un réseau Gigabit Ethernet. De plus, les trames courtes du GE ont leur longueur inutilement multipliée par 8 (de 512 bits à 512 octets), ce qui diminue l’efficacité des réseaux plus lents qui doivent transmettre des trames de longueur plus importante

Les premières solutions Méthode d ’accès au support Les premières solutions Carrier Extension conserve le taille minimum de trame  512 bits Ethernet / FastEthernet  Gigabit Ethernet ajout de caractères spéciaux slot time : temps pour émettre 512 octets Packet Packing unité de transmission : le bloc implémentation complexe La première solution a été Carrier Extension : Cette technique conserve la taille minimum de la trame (i.e. 512 bits comme pour Ethernet 10 Mbps ou 100 Mbps) pour pouvoir envoyer efficacement des trames vers les réseaux plus lents. Lorsque l'émission se fait sur le Gigabit Ethernet, une extension est ajoutée après chaque trame, afin d'atteindre si nécessaire 512 octets. un slot time est le nombre d’octets émis pendant un slot time (soit 512 octets). (abus de langage) Si l’émetteur ne détecte pas de collision, il regarde la longueur de la trame qu’il vient d’envoyer. O Si la longueur est d’au moins un slot time, il a terminé la transmission de sa trame. O Sinon il transmet juste après la trame des symboles spéciaux (appelés carrier extension) jusqu’à la fin du slot time. A ce moment, il aura fini la transmission de sa trame . S’il y a collision lors de l’émission de la trame éventuellement complétée par un carrier extension, il arrête immédiatement celle-ci et envoie un signal pour prévenir toutes les autres stations qu’une collision s’est produite. Une fois envoyée, la trame est traitée par l’hôte : Celui-ci détecte les bits du préambule et le délimiteur de début de trame. Ensuite, il met les bits qui suivent le délimiteur dans un buffer jusqu’à la fin de la trame. O Si le total des bits reçus < slot time, le receveur élimine la trame car il y a eu forcément une collision. O Sinon la trame est transmise à la couche MAC. Cette technique implique un gros inconvénient : elle gaspille énormément de bits pour la transmission de petits paquets, ce qui entraîne une diminution de l’efficacité du réseau. Packet packing : le principe de cette technique consiste à envoyer des blocs constitués de plusieurs trames. A ces blocs est appliquée la technique " Carrier Extension ", si leur longueur est inférieure à 512 octets.  L'inconvénient est d'entraîner beaucoup de complications: O L’unité de transmission est un bloc et plus une trame. O En cas de collision, l’émetteur doit transmettre à nouveau tout le bloc L’implémentation du " Packet Packing " est très complexe

Frame Bursting transmission d’une suite de trames : burst Méthode d ’accès au support Frame Bursting transmission d’une suite de trames : burst longueur : entre 512 octets et 3000 octets. burst timer : temps qui permet de connaître le nombre de bits émis. La solution retenue est celle du Frame Bursting qui est une combinaison des 2 précédentes afin d’optimiser l’utilisation du medium. Au minimum, sera envoyé sur le support un trame de 512 octets : trame 1 + CE. S’il y a plus d’une trame à envoyer on a seulement un intertrame pour les séparer, plus de Carrier Extension. La limite d’émission est donnée par un timer appelé burst timer. Qui est de 1500 octets. Avantage est que l’on conserve l’unité de tansmission : la trame Le groupe de travail du IEEE 802.3z a adopté cette technique car elle est simple à implémenter et des tests ont montré que l’efficacité du réseau est améliorée d’un facteur compris entre deux et trois.

Les différents types de câblages principalement sur fibres optiques 1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-LH mais aussi : sur cuivre : 1000BASE-CX sur paire torsadée : 1000BASE-T Dans un premier temps, Gigabit Ethernet a été développé sur fibre optique . Celle-ci a comme principaux avantages : une bande passante très importante un affaiblissement très faible une très bonne qualité de transmission 1000 BASE SX : Short Wavelength (onde courte) c’est à dire de 770 nm à 860nm sur fibre multimode La distance max est de 550m selon diamètre de la fibre et la Bande Passante 1000 BASE LX : Long Wavelength (longue onde) c’est à dire de 1270 nm à 1355nm sur fibre monomode ou multimode La distance max ainsi atteinte est de 5000m 1000 BASE LH : Long haul ( longue distance) câble cuivre distance 25m : surtout utilisé pour les jarretières, câble de brassage C’est en mai dernier que 3Com a proposé la première solution de commutation Gigabit Ethernet sur cuivre Le développement du E-commerce et du multimédia remettent en cause les infrastructures réseaux des entreprises, pas toujours dimensionnées pour des trafics temps réels et volumineux. Pour répondre à ce besoin, la technologie Gigabit Ethernet s’avère être le choix d'un grand nombre d' entreprises. Un frein demeurait au développement du Gigabit Ethernet dans les réseaux : l'impossibilité d'installer des produits Gigabit Ethernet sur de la paire torsadée, ce qui cantonnait les commutateurs Gigabit à des solutions de backbone sur fibre optique. C’est pour cela que l’IEEE 802.3ab a ratifié la norme Gigabit Ethernet sur paire torsadée : 1000 BASE T : on obtient une distance max de 100m sur câble de Cat5. Ce débit est obtenu en envoyant et en recevant 250 Mbps de données sur chacune des 4 paires simultanément (4 X 250 Mbps = 1 Gbps).

Groupe de Travail Créé afin de promouvoir la coopération des industriels au développement de Gigabit Ethernet www.gigabit-ethernet.org

PLAN 10 Gigabit Ethernet Ambitions Interface Physique Groupe de travail Interface Physique

Ambitions préserver le format des trames Ethernet opération full duplex deux familles d’interfaces physiques: pour les réseaux locaux (LAN PHY) pour les réseaux étendus (MAN/WAN PHY) définition d ’une interface compatible avec SONET OC-192 /SDH Même format de trame: y compris la taille min et max full duplex: 1G : half et full duplex, mais produits seulement full ==> 10G seulement full Interface phy: compatibilité avec SONET OC 192 / SDH très importante car 10GE pourra utiliser SONET/SDH comme couche physique…

(noms pas encore fixés) Interface Physique Interface (noms pas encore fixés) Type de fibre distances estimées 10 000Base-SX  /  10GBase-SX Fibre Multimode 100m to 300m 10 000Base-LX  /  10GBase-LX Fibre Monomode et Multimode 5km to 15km 10 000Base-EX  /  10GBase-EX Fibre Monomode 50km et plus 10 000Base-T  / 10GBase-T Paire torsadée Pas beaucoup de chance de devenir un standard.  Trop de contraintes de distance S: 850 nm L: 1310 nm E: 1550 nm X: WDM wave division multiplexing

Groupe de Travail Fondée par les leaders de l’industrie du réseau : 3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems, and World Wide Packets Faciliter et accélérer l’introduction du 10 Gigabit Ethernet Contribuer à l’élaboration de la norme 802.3ae www.10gea.org

PLAN Haut-Débit : Ethernet vs autres technologies

Avantages / Inconvénients d ’Ethernet Les + : connu et reconnu simple peu onéreux Les - : Protocole non multimédia. Absence de mécanique à tolérance de panne. Absence de mécanisme de gestion de congestion et de contrôle de flux.

Haut-débit : Ethernet vs autres technologies Gigabit Ethernet : principalement pour les LAN. pas vraiment de concurrence car Ethernet est le plus populaire sur les LAN. 10G Ethernet : LAN: évolution logique de Gigabit. MAN/WAN: élargir le champs d ’action d ’Ethernet. 1/10 du prix d ’ATM. doit faire ces preuves face à d ’autres technologies émergentes : DTM, DTP, Fibre Channel 10Gbs,... Gigabit: - LAN: à cause des distances - pas de concurrence: même si ATM dans des cas spécifiques (avec moyen financier derrière) 10 Gigabit: DTM : Dynamic Synchronous Tranfert Mode, Net Insight DPT: Dynamic Packet Transport, Cisco Fibre Channel 10Gbs: meilleur aptitude au transport de lourdes trames.

PLAN Conclusion

Conclusion Suit l’évolution de l’Internet. Renforce sa place de leader dans les réseaux locaux S’étend au marché des MAN/WAN et concurrence ainsi d ’autres protocoles (ATM,…) avec 10GE. Ethernet future standard pour tous les réseaux de demain? En évoluant ainsi, Ethernet n’a fait que suivre l’évolution de l’Internet et des applications multimédias. En effet, il existe un réel besoin de déployer du haut-débit au cœur du réseau tout en conservant l'existant. Gigabit Ethernet résout ce problème en fournissant une solution à moindre coût, évolutive et facile à déployer.Il fournit un remarquable rapport prix-performance avec 10 fois les performances et seulement 2 à 3 fois le coût. GE permet aux personnels et aux systèmes existants de continuer à se développer sans remplacement radical ou recyclage de personnel. On peut alors se demander si GE sera le nouveau standard LAN pour le future et si 10GE va repousser les limites de la popularité de l’Ethernet