Réseaux Locaux
Haut débit
Emmanuel LEBEL
10 décembre 2001
PLAN
I. Introduction / objectifs ... 3
II. Prolégomènes Ethernet... 4
1. Transmission de l’information (utilisation de CSMA/CD)... 4
2. Emission d’une trame et détection d’une collision... 4
3. Gestion des collisions ... 5
III. Ethernet rapide ou « Fast Ethernet » (100Base-T)... 6
1. Présentation & Généralités... 6
2. Modèle de référence ... 7
3. La couche physique 100Base-T ... 8
4. Fonctionnalités de Management ... 9
5. Les hubs commutés (Switched hubs) ... 9
IV. Gigabit Ethernet ... 11
1. Présentation & Généralités...11
2. Modèle architectural ...11
3. Supports physiques et encodage...12
V. 100VG AnyLan... 13
1. Présentation & architecture ...13
2. Modèle de référence ...14
3. Rôle de la couche MAC ...14
4. La couche physique 100VG AnyLan ...15
5. La communication « hub-station » : Un exemple. ...16
VI. FDDI ... 17
1. Généralités...17
2. Architecture du modèle de référence ...18
3. Format des trames FDDI...19
4. Etude de la vie d’un jeton FDDI...19
5. Gestion des pannes ...21
VII. Autres réseaux locaux à haut débit... 22
VIII. Tarifs... 23
IX. Conclusion ... 24
I – Introduction / Objectifs
Parmi le nombre important de réseaux à haut débit, j’ai volontairement fais le choix d’aborder au cours de cet exposé les réseaux locaux les plus communs et les plus intéressants au niveau du concept. La panoplie d’Ethernet rapide (Fast Ethernet, GigaBit, etc…) et les réseaux FDDI sont des sujets inévitables…Quant aux techniques DQDB et autres réseaux locaux ils font l’objet d’un petit chapitre à la fin du document.
Le but de ce document est d’établir un comparatif entre les différents types de réseaux locaux à haut débit… Afin que les futurs administrateurs réseaux se fassent une idée de ce que l’on rencontre le plus couramment mais aussi, aient une idée du coup de mise en œuvre et de l’implémentation.
II – Prolégomènes Ethernet
Le but de ce chapitre est de rappeler dans les grandes lignes les principes techniques d’Ethernet. La lecture des chapitres suivants se fera ainsi plus facilement, sachant que les réseaux Fast Ethernet et Gigabit Ethernet ne sont que des évolutions du standard Ethernet.
1 - Transmission de l’information (utilisation de CSMA/CD)
Ethernet utilise le principe de politesse pour parler dans un groupe. Chaque station peut parler quand elle le souhaite à condition qu’aucun message ne soit audible au même moment. Ceci limite les risques de collision.
Parmi la multitude de protocoles de type CSMA (Carrier Sense Multiple Access) c’est le protocole
CSMA/CD (CD pour Collision Detection) qui a été retenu pour Ethernet. Ce protocole est du type
CSMA « persistant » car la station persiste à écouter le canal jusqu’à ce que celui-ci devienne libre, avant d’émettre sa trame (à contrario, une station « non-persistante » attend un temps aléatoire avant de tester à nouveau le canal).
Le protocole CSMA/CD est un protocole dit « non-déterministe » (j’ai envie d’émettre, j’émets, on gère les collisions après…). Ce qui donne lieu à des contentions d’accès. Un cycle sur Ethernet est composé d’une phase de contention qui sert à désigner la station ayant droit à émettre et d’une phase de transmission réservée sans collisions.
A l’inverse, pour un réseau de type « Token Ring » on parlera d’une technique « déterministe » (j’ai envie d’émettre, j’attends le jeton, j’attends qu’on m’y autorise).
2 - Emission d’une trame et détection d’une collision
Une trame est émise que si le canal est libre. La station souhaitant émettre écoute la porteuse… Si elle détecte un signal en ligne, elle attend que le canal soit libéré pour émettre sa trame. Cette méthode permet d’éviter certaines collisions mais pas toutes…(cf schéma 1).
Il existe en effet un cas particuliers lié au délai de propagation du signal : la période de
vulnérabilité. Cette période représente la durée pendant laquelle une station éloignée peut détecter
le canal libre et transmettre à son tour. Elle est au maximum égale au temps de propagation nécessaire entre les deux stations les plus éloignées sur le support.
On peut ainsi définir la fenêtre de collision (ou TC pour Tranche Canal) : Délai après lequel une station peut être certaine d’avoir réussi sa transmission. Soit T le temps de propagation maximal du signal sur le support, la fenêtre est égale à 2T (temps d’aller et retour maximal du signal).
En conclusion : Si une station décide de « parler » et qu’au bout d’un temps égale à 2T aucune collision ne survient, elle est certaine de continuer à « parler » et ainsi terminer la transmission de sa trame.
Schéma 1
La période 2T, appelée également Slot-Time, est fixée par le standard Ethernet à 51,2µs (ce temps est calculé selon plusieurs critères et tient compte notamment de l’étendue maximale d’un réseau Ethernet qui est de 2500m). A une vitesse de 10Mbit/s c’est le temps nécessaire à l’émission d’une trame de taille minimale 64 octets.
Ces deux valeurs (Slot-Time et taille minimale) sont très logiquement remises en cause lorsque le débit du réseau augmente (cf chapitres suivants).
3 - Gestion des collisions
En cas de collision (la station écoute pendant qu’elle émet sa trame et détecte si le signal se brouille), la station cesse immédiatement sa transmission et émet une séquence de bourrage afin d’avertir les autres stations.
Avant de retransmettre, une station attend pendant un certain temps aléatoire. Ce mécanisme de calcul du délai avant retransmission est appelé « Exponential backoff ».
Le délai (nombre de slot) se calcule de la façon suivante : Tirage aléatoire d’un nombre dans l’intervalle [0,2i-1] ou i est le nombre de tentative.
Pour Ethernet, le nombre de tentative est limité à 15 fois… Avant signalisation aux couches supérieures d’un échec de transmission.
III - Ethernet rapide ou « Fast Ethernet » (100Base-T)
1 - Présentation & Généralités
Historique : Au début des années 90, face à un besoin de plus en plus croissant de bande passante,
la « haute autorité » de l’IEEE décida de faire travailler le comité 802.3 sur l’élaboration d’un réseau LAN à haut débit. Suite à de nombreux échanges entre le comité et les différents acteurs du marché (3com, Cisco, etc…) 2 propositions émergèrent :
ü Faire évoluer l’Ethernet 10Mbit/s.
ü Redéfinition plus complète de la norme : Le 100VG Anylan (soutenu par HP & IBM). La première proposition fut retenue pour des raisons évidentes de compatibilité ascendante avec tous les produits déjà existants et conformes à la norme 802.3. Parallèlement, les partisans du 100VG AnyLan créèrent leur propre standard.
Caractéristiques communes avec Ethernet :
ü Reprise du protocole CSMA/CD donc compatibilité totale. ü Maintient de la taille des trames (de 64 à 1518 octets).
ü Même topologie en étoile que le 10Base-T. La topologie Bus associée à l’utilisation du coaxial est abandonnée.
Principales différences/évolutions :
ü Fenêtre de collision ou TC (tranche canal) diminuée proportionnellement au débit : On passe de 51,2 µs à 5,12µs. Implicitement, le diamètre maximum du réseau est fortement diminué (distance maximale entre les stations les plus éloignées) et passe à environ à 200m au lieu de 2500m. Cette solution a été préférée à l’augmentation de taille minimum de la trame. La logique aurait voulu que l’on évolue de 64 octets à 640 octets mais dans ce cas précis, une partie de la bande passante aurait été perdue.
ü Le silence inter-trames (IFG : InterFrame Gap) diminue également proportionnellement et passe à 0,96ns.
ü De nouvelles fonctions de management font leur apparition au niveau de la couche physique.
ü Enfin, même si techniquement il était possible d’implémenter Fast Ethernet sur du coaxial, cette solution n’a pas été retenue et la seule et unique topologie retenue est la topologie en étoile avec un câblage paires torsadées ou Fibre optique.
La norme 100Base-T se décline en 2 sous-ensembles (cf schéma n°2) : Le 100Base-T4 basé sur l’utilisation de 4 paires torsadées et le 100Base-TX qui se décline à nouveau en 2 sous-ensembles, le 100Base-TX (2 paires torsadées) et le 100Base-FX (sur fibre optique).
schéma 2
ü Les hubs de classe I qui ne supportent pas la présence d’autres hubs. Pour accroitre la taille du réseau il faut faire appel à des ponts, routeurs ou commutateurs…
ü Les hubs de classe II qui autorisent une cascade de 2 hubs du même type. Leur raccordement ne permet pas d’étendre la taille maxi du réseau mais surtout d’accroître le nombre de stations connectées.
La plupart des hubs sont équipés d’un protocole d’auto-négociation du débit. Grâce à des signaux de type Fast Link Pulse le hub négocie avec chaque station le mode de communication le plus intéressant : 100Base-TX full duplex, 100Base-T4, 100Base-TX, 10Base-TX, etc…
2 - Modèle de référence
Le modèle de référence est identique pour ce qui est de la couche n°2. Les couches LLC et MAC sont préservées pour les raisons de compatibilité déjà évoquées précédemment.
En revanche pour la couche n°1, il existe une différence importante (cf schéma 3). La couche physique se subdivise en deux parties :
ü La couche MII (Media Independent Interface) : une nouvelle interface qui permet d’assurer l’indépendance de la couche MAC par rapport à la couche physique.
ü La couche MDI (Media Dependent Interface) : Comme son nom l’indique, est spécifique au type de medium utilisé. Elle se subdivise à nouveau en 3 parties :
q PCS (Physical Coding Sublayer) est chargée du codage physique des signaux sur
le câble. C’est à ce niveau que pour le 100Base-T4 se produit « le miracle » qui consiste à pouvoir travailler à 100 Mb/s sur 4 paires torsadées de piètre qualité (explications juste après).
q PMA (Physical Medium Attachement) réalise la connexion sur le câble. Il s’agit
de la génération et de la réception des signaux, des notions d’horloge et de synchronisation.
q la PMD (Physical Medium Dependant) qui définit la connectique et l’interface physique de connexion sur le câble.
3 - La couche physique 100Base-T
La norme 100Base-T supporte 3 type de supports physiques :
Appellation 100Base-T4
Norme qui définit l’utilisation de câbles à 4 paires torsadées de catégorie 3 ou 4 UTP (non blindées). Une paire est réservée en permanence pour le sens Hub vers station (nécessaire à la détection de collisions), la seconde paire dans le sens station vers Hub et les 2 autres sont allouées dynamiquement selon le sens de transmission.
Du fait de cette particularité on dit que le 100Base-T4 est « duplex asymétrique ». Il utilise 3 paires dans le sens montant.
La norme 100Base-T4 privilégie les entreprises européennes déjà câblées avec cette qualité téléphonique assez médiocre. « Médiocre » car il est impossible de faire transiter des signaux codés à 200Mbit/s (codage Manchester des signaux utiles à 100 Mbit/s). Pour contourner le problème et atteindre le débit de 100Mbit/s, le codage Manchester est abandonné et l’on fait appel à une solution un peu originale : Le codage par blocs 8B/6T.
Avec cette technique, les informations ne sont plus codées de façon binaire mais de façon ternaire (alphabet 0,1 et 2). L’association des 3 paires torsadées dans le sens « hub vers station » permet donc de transmettre 3*3*3=27 symboles différents. Parmi ces symboles, le récepteur extrait 4 bits d’information.
La cadence d’horloge étant fixée à 25MHz sur les 3 paires, on obtient ainsi un débit de 100Mbit/s.
Appellation 100Base-TX
Pour implémenter le 100Base-TX, il suffit d’utiliser un câblage de qualité supérieure catégorie 5 UTP. Ce câble est équipé de 2 paires torsadées seulement qui peuvent supporter des fréquences d’horloge élevées pouvant atteindre 200MHz. Pour le 100Base-TX original, 1 paire est définie dans le sens hub vers station et l’autre dans le sens inverse. Il est dit « duplex symétrique ».
Le codage s’effectue en 4B/5B avec une horloge de 125MHz. Cet autre codage par bloc (identique à celui utilisé dans FDDI) permet de transmettre 4 bits sur 5 cycles d’horloge.
Appellation 100Base-FX
La transmission est basée sur l’utilisation de 2 fibres optiques multimode à gradient d’indice. De même que 100Base-TX, une paire est affectée à chaque sens de communication. La sous-couche PCS joue le même rôle et transmet les informations sur une fréquence de 125MHz (codage 4B/5B).
appellation Type câble Long. station/hub
Etendue maximale du
réseau
Remarques
100Base-T4 4 paires torsadées cat.3 ou 4 UTP 100 m ~ 200 m Duplex asymétrique 100Mbit/s et 25Mbit/s
100Base-TX 2 paires torsadées cat.5 UTP ou
STP.
100 m ~ 200 m Duplex symétrique à 100Mbit/s
100Base-FX 2 fibres optiques multimode (MMF)
diamètre 125µm.
400 m ~ 318 m Duplex symétrique à 100Mbit/s
4 - Fonctionnalités de Management :
La norme 100Base-T a beaucoup apporté en terme de fonctionnalités de Management. De ce point de vue là, la norme classique en était quasiment dépourvue. On peut classer les fonctions de management en 2 domaines :
ü Contrôle et configuration du Transceiver : Neuf paramètres sont configurables :
q Ré-initialisation de l’équipement,
q Mode boucle (loop back) pour procéder à des tests en local,
q Sélection de la vitesse (10 ou 100Mbit/s) entre le hub et la station (prévue par la norme et implémenter dans tous les matériels),
q Autorisation du processus d’auto-négociation,
q Economie d’énergie,
q Isolement MII,
q Relance du processus d’auto-négociation,
q Basculement en mode full-duplex,
q Test du signal de collision,
ü Indication de l’état du Transceiver : Onze indications existent parmi lesquelles :
q Capacité à fonctionner en mode 100Base-T4,
q Etat de la ligne (détection de porteuse, c’est à dire témoin de validité de la liaison physique),
q Détection d’un défaut distant,
q Capacité à fonctionner en mode normal (half-duplex) ou full-duplex 10Mb/100Mb.
5 - Les hubs commutés (Switched hubs).
Avec l’apparition des technologies Ethernet de plus en plus rapides, l’utilisation de hubs commutés se généralise de plus en plus. C’est même un marché en forte expansion ou le choix est vaste. La description de ces éléments particulièrement actifs du réseau vaut également pour le standard 1000Base-T.
Le hub partagé classique est un élément plutôt passif du réseau puisqu’il ne fait que répéter le signal, et connecte de façon logique toutes les stations entre elles.
Le hub commuté, quant à lui, analyse chaque trame d’entrée pour la diriger très précisément vers le port destinataire. Ainsi, pendant la durée d’émission d’un message, l’émetteur est en liaison exclusive avec son correspondant. Les risques de collision sont fortement diminués mais pas inexistants (cas ou plusieurs stations souhaitent atteindre le même destinataire).
La détection de la collision est à la charge du commutateur (si le circuit est déjà occupé).
Lorsque l’on parle de la capacité totale d’un hub commuté, on l’exprime souvent par la formule N/2*10 (100 ou 1000 Mbit/s) ou N représente le nombre de port.
Principales caractéristiques :
ü Gestion de tables pouvant comporter plusieurs milliers d’adresses MAC, les adresses sont enregistrées par auto-apprentissage.
ü Capacité de gestion de réseaux virtuels (VLAN). Un VLAN consiste à organiser administrativement un sous-réseau dans le réseau principal. Les stations de ce VLAN ont leur propre domaine de collision. Le hub est ici utilisé comme un filtre.
ü Totale compatibilité avec les matériels existants : 10Base-T, 100Base-T, etc… A titre d’illustration, le schéma 5 présente une architecture « type » autour d’un hub commuté.
shéma 5
Lorsqu’un réseau Ethernet assez hétérogène, c’est à dire composé de stations à 10Mbit/s, 100Mbits/s et plus… L’alternative consiste à acquérir un hub commuté dit « mixte » ou « hybride ». Ces hubs possèdent, entre autre, la particularité de mémoriser les trames avant de les transmettre, afin de pouvoir effectuer une conversion de débit. Cette situation peut aboutir à une saturation des mémoires tampon et à la perte de messages. Ces pertes sont gérées par les couches supérieures…
IV - Gigabit Ethernet
1 - Présentation et généralités
Initialement soutenu par Intel, le Gigabit Ethernet est une technologie de réseau local qui est apparue dans le courant de l’année 1998 (3 ans après la normalisation du Fast Ethernet). Cette norme porte l’appellation 802.3z et est prévue dans un premier temps pour de la fibre optique ainsi que du coaxial. Curieusement, le support coaxial refait son apparition après avoir disparu dans la norme précédente 100Base-T… Mais uniquement pour relier des appareils sur de très courtes distances de l’ordre de 25 m.
Ce n’est qu’un an plus tard, en juin 1999, que la norme IEEE 802.3ab permettant d’implémenter le 1000Base-T sur un support cuivre fait son apparition.
Utilisation envisagée : Le réseau Gigabit Ethernet est utilisé aujourd’hui pour l’implémentation de
backbone Ethernet ou « dorsale de site ». Les gros consommateurs de bande passante sont essentiellement des serveurs à hautes performances.
Filiation avec Ethernet :
ü Méthode d’accès CSMA/CD préservée (half-duplex) mais avec un seul et unique hub répéteur autorisé.
ü Mode « full-duplex » préservé (nouveauté apparue avec le 100Base-T).
ü Même format de trame que le protocole Ethernet, la compatibilité est donc assurée. Cependant, comme pour le passage de 10Mbit/s à 100Mbit/s, le problème se pose à nouveau de la taille de la TC (tranche canal).
Cette fois-ci, plutôt que de diviser par 10 la valeur TC comme sur Fast Ethernet et encore diminuer la taille globale du réseau, les concepteurs du Gigabit Ethernet ont préféré augmenter la taille de la trame minimum au détriment de la bande passante. La taille minimum d’une trame équivaut donc à 512 octets (et non pas 640 octets comme le voudrait la logique mathématique).
Autre avantage de l’augmentation de la taille à 512 octets : Préserver la distance désormais habituelle de 100m reliant une station à son répéteur.
Le silence inter-trame reste identique.
2 - Modèle architectural
On y retrouve beaucoup de similitudes avec le modèle Fast Ethernet :
ü Une couche intermédiaire GMII (Gigabit Media Independent Interface) .
ü Un ensemble de 3 couches dépendantes du support physique : 1 couche pour l’encodage (sous Fast Ethernet elle s’appelait PCS (Physical Coding Sublayer), 1 couche PMA (Physical Medium Attachement) qui génère et réceptionne les signaux, notions d’horloge, synchronisation, etc… et une dernière qui définit la connectique.
Sur le shéma 6 on retrouve l’ensemble des implémentations possibles du 1000Base : ü Le 1000Base CX : Support coaxial.
ü Le 1000Base-LX : FO monomode. ü Le 1000Base-SX : FO multimode.
shéma 6
3 - Supports physiques et encodage.
Les premiers supports physiques prévus par les normes ont été regroupés sous l’appellation « X-Series » ou 1000Base-X. Ces supports sont au nombre de 3 :
ü 1000 Base LX : Nécessite 2 brins de fibre optique monomode d’un diamètre de 62,5 µm ou 50 µm (SMF = Single Mode Fiber). La longueur d’onde est de 1300 nm et la transmission en Full-Duplex. L’utilisation d’une FO monomode permet d’allonger les distances maxi jusqu’à 5 km et ainsi d’implémenter idéalement un campus universitaire.
ü 1000 Base SX : 2 brins de fibre optique multimode d’un diamètre identique a celui précédemment cité. La longueur d’onde est de 850 nm et la transmission en full-duplex permet d’obtenir des distances allant de 220m à 550m.
ü 1000 Base CX : Assez curieusement, le câble coaxial refait son apparition mais sert uniquement à relier des éléments actifs très consommateurs de BP dans une armoire par exemple. La distance maxi est de 25m.
Pour ces 3 supports le type de codage est un codage par bloc 8B/10B (8 bits codés sur 10 bits) suivi d’une transformation NRZ. Par ailleurs, il est compatible avec la technologie Fibre Channel.
Le dernier support physique normalisé en 1999 est le support cuivre. Utilisation de paires torsadées de catégorie 5 UTP uniquement.
Pour atteindre un débit de 1Gbit/s sur de simples fils de cuivre, les 4 paires sont utilisées (un peu comme avec le 100Base-T4) mais avec un codage un peu sophistiqué à 5 niveaux de modulation d’amplitude (4D-PAM5). Le débit par paire atteint les 250Mbits/s avec une fréquence d’horloge raisonnable soit 1Gbit/s pour l’ensemble.
V - 100VG AnyLan
1 - Présentation & architecture
Historique : Cette technologie a vu le jour au début des années 90 à l’époque où les différents
groupes de constructeurs cherchaient à faire évoluer l’Ethernet classique à 10Mbit/s.
Le premier groupe (Intel, CISCO, etc…) a su imposer la norme 100Base-T. Le second, composé de Hewlett-Packard, AT&T et IBM a développé un standard un peu à part : Le 100VG AnyLan, normalisé par la spécification IEEE 802.12.
Origine du nom : L’appellation 100VG AnyLan provient des 4 caractéristiques suivantes : Débit
offert de 100Mbit/s, transmission en bande de base, VG signifie « Voice Grade » (support de type paire torsadée de qualité téléphonique), AnyLan pour la double compatibilité Ethernet/Token Ring.
Topologie : La topologie de ce réseau est strictement identique à celle des réseaux Ethernet
10Base-T : Une étoile hiérarchisée permettant un « cascading » de 4 hubs, soit 5 niveaux.
Avantages : Compatibilité avec les standards Ethernet ou Token Ring. Néanmoins, il ne peut pas
exister de mixité dans une même arborescence. Tous les hubs d’une même arborescence doivent être paramétrés Ethernet ou Token Ring dès le départ.
Composants : Il existe 2 types d’éléments actifs :
ü Les stations (PC, analyseurs, ponts, etc…) : Tous les clients branchés sur un lien descendant (down link) d’un hub.
ü Les hubs : Le hub 100VG AnyLan est un contrôleur intelligent, qui s’apparente plus à un commutateur, dont le rôle est primordial dans l’architecture. Il a en effet la responsabilité d’un chef d’orchestre en ce sens qu’il applique un mécanisme de contrôle d’accès centralisé appelé DPAM (Demand Priority Access Method) basé sur le principe de la scrutation périodique (polling).
Ce principe appelé DPAM est un des points forts de 100VG AnyLan : La méthode d’accès n’est plus non-déterministe comme sur Ethernet mais bien au contraire déterministe. De ce fait, aucune collision ne peut apparaître.
2 - Modèle de référence
shéma 8
ü Comme habituellement, on retrouve la couche LLC (Logical Link Control), ce protocole qui est un sous-produit du protocole HDLC (cf exposé à ce sujet).
ü La couche MAC, malgré les apparences, assure un rôle différent de la couche MAC Ethernet. Elle assure le partage d’accès au Médium (le transparent juste après détail plus en profondeur le rôle de cette couche), le formatage des trames (Ethernet ou Token Ring) avec l’enrobage classique constitué du CRC, des bits de bourrage, du FCS, etc…
ü La couche PMI (Physical Media Independent) : Réalise l’éclatement des bits.
ü La couche PMD (Physical Media Dependent) : se charge de l’émission sur le médium. A noter qu’il existe un module spécifique pour chaque support.
3 - Rôle de la couche MAC
Hormis le formatage des trames, point qui ne sera pas abordé ici puisqu’il est en tout point identique à Ethernet ou Token Ring, la couche MAC possède 2 rôles importants :
ü Apprentissage des liens : Cette phase a lieu quand la station ou le hub est mis sous tension. Ils s’échangent une série de messages spéciaux dans le but de tester la communication (câblage correct, qualité du signal, etc…). Le hub alimente également sa table des adresses physiques et enregistre le type de station.
ü Demande d’accès (DPMA). Le principe de scrutation est le suivant :
Lorsqu ‘une station souhaite émettre, elle avertit le hub par une demande de transmission en indiquant le niveau de priorité de la requête.
Il existe 2 types de requête :
q La requête normale : Traitée avec une priorité normale à chaque scrutation.
q La requête prioritaire : Lorsque celle-ci survient (indépendamment du polling) la station a le droit immédiat de parler. C’est à dire que l’émission de la trame en cours se termine et le hub s’occupe immédiatement de la station prioritaire.
Inconvénient majeur : Il risque de se produire une sorte de famine si toutes les stations
abusent de cette priorité.
Solution au problème : A chaque fois que le hub s’arrête sur une station possédant une
demande normale, il calcule la durée de vie de celle-ci (durée de vie=Temps actuel-Temps de la demande).
Si le calcul excède une constante prédéfinie TTT (Target Transmission Time)… Un peu comme un Time-Out… Elle devient prioritaire. Ainsi, le hub garantie une sorte d’équité entre toutes les demandes, tout en privilégiant les demandes prioritaires.
Au pire, une trame normale sera transmise avec une borne maximale de TTT + N * Dm ou N est le nombre de maximal de station et Dm la durée d’émission de la plus longue trame (1518 octets sur Ethernet).
Efficacité du protocole :
Grâce à ce mécanisme, le réseau peut arriver à saturation mais il ne reste jamais gelé. Il se stabilise. En comparaison sur Ethernet, il peut arriver que circulent plus de trames dupliquées que de trames fraîches.
4 – La couche physique 100VG AnyLan
La couche PMI réalise dans l’ordre, le découpage de l’information en quintets, le brouillage, le codage 5B/6B et l’ajout de délimiteurs de trames.
Le codage 5B/6B est un codage de groupe dont le principe est le suivant : Chaque quintet (au nombre de 32) est représenté par un symbole codé sur 6 bits. Parmi les 64 symboles disponibles, seuls 32 sont utiles pour les données, le but étant de créer une répartition équilibrée de 0 et de 1 afin de synchroniser correctement l’horloge du récepteur.
La couche PMD (Physical Medium Dependent) dépend directement du support physique. Les supports sont du type :
ü 4 paires torsadées UTP (catégorie 3)
ü 2 paires torsadées UTP ou STP (catégorie 5) ü 2 fibres optiques mono ou multimode. L’encodage est réalisé en NRZ.
Si le support est de type 2 paires torsadées ou 2 FO, les informations provenant de la couche supérieure sont multiplexées avant transmission.
Pour le cas particulier du support 4 paires torsadées, le débit de 100Mbit/s est obtenu par l’association de 4 fois 25Mbit/s. La fréquence d’horloge nécessaire est donc de 30MHz (codage 5B/6B).
Synchronisation Hub/Station :
Afin de gérer correctement le droit à la parole, les hubs et les stations disposent d’un langage commun composé de signaux de signalisation prédéfinis. Ces signaux sont représentés par la combinaison de 2 tonalités :
ü Tonalité 1 : Sur une base de 30MHz une série de seize bit à 1 suivie de seize bits à 0, soit une fréquence de 0,9375MHz (30/32).
ü Tonalité 2 : Une série de 8 bits à 1 suivie de 8*0, soit 1,875 MHz. Le tableau ci-contre indique l’utilité des 4 combinaisons possibles.
5 - La communication « hub-station » : Un exemple.
Cet exemple volontairement simple est un cas d’école et ne tient pas compte des flux prioritaires.
shéma 9
ü Dans un premier temps le hub « arrose » toutes les stations avec le signal « Idle » (signifie en anglais « oisif ») pour indiquer que rien n’est à transmettre ou à recevoir, sauf la station en cours de scrutation.
ü La station 1 s’apercevant de l’arrêt du signal « Idle » (silence) conclue que c’est à son tour de parler : Emission d’une requête NPR (Normal Priority Request).
ü Le hub, recevant la demande arrête immédiatement le signal « Idle » pour les autres stations et les informe qu’un message va arriver par l’envoi d’un INCOMING.
ü La station 1 émet son message (le seul et l’unique pour le tour).
ü Le hub décortique le message (i.e. la trame) et le transmet au(x) destinataire(s). Au même instant il peut décider de rediffuser le signal « Idle » aux stations non concernées.
ü Après la diffusion, le hub envoi à nouveau le signal Idle à toutes les stations sauf à la prochaine qu’il envisage de scruter… Et le cycle continue…
VI - FDDI
1 - Généralités
Historique : Réseaux LAN/MAN à haut débit en boucle basé sur la circulation d’un jeton. Conçu
au milieu des années 80, on le considère un peu comme une évolution du réseau Token Ring. D’ailleurs il reprend une bonne partie des spécifications de la norme IEEE 802.5.
Il a tout d’abord été normalisé par l’ANSI (X3T9.5) puis par l’ISO (9314) au début des années 90. Principales caractéristiques :
ü Un débit offert de 100Mbit/s.
ü Capacité de raccordement maxi établie à 1000 liens/nœuds sur une distance de 200km. ü Capacité d’auto-dépannage (nous verrons + loin dans l’exposé de quoi il s’agit). ü Offre 2 classes de trafic : Trafic synchrone (bande passante garantie) et asynchrone.
ü Rôle de réseau fédérateur : Etant donné ses capacités le réseau FDDI est considéré comme un réseau fédérateur (interconnexion de plusieurs réseaux locaux entre eux). On le classe également dans la catégorie des MAN.
shéma 10
Le support idéal retenu initialement est la fibre optique (d’où son nom) et il est constitué de 2 anneaux indépendants. L’architecture est dite « controrotative ». Le deuxième anneau est utilisé en cas de panne pour la reconfiguration du réseau.
Sur le schéma 10, son rôle de réseau fédérateur n’apparaît pas vraiment. On pourrait remplacer une station par un pont ou un routeur qui fait la liaison avec un autre réseau.
Il existe 2 classes de station :
ü Station de classe A : Reliée par 4 fibres optiques (DAS). ü Station de classe B : Relié par 2 FO (SAS).
Evolution de FDDI :
Il existe une évolution de FDDI qui se nomme FDDI-II et qui n’a jamais été commercialisée (solution restée dans les cartons). Cette nouvelle mouture apporte la possibilité de gérer un flux isochrone en mode circuit… Alors que les flux asynchrones et synchrones sont en mode paquet.
2 - Architecture du modèle de référence
Globalement, l’architecture de FDDI couvre les 2 premières couches de l’ISO, les couches 1 & 2.
shéma 11
Au dessous de la traditionnelle couche LLC on retrouve 4 modules :
ü La SMT : Son rôle est de gérer la configuration de l’anneau, l’ajout d’une nouvelle station, le retrait, etc…
ü La couche MAC : Gestion du droit d’émission et du jeton. Les trames sont constituées ici. ü La couche PHY : Encodage des données, définition de la vitesse d’horloge.
ü Et enfin la couche PMD qui définit les caractéristiques du support FO. Architecture traditionnelle en somme.
3 - Format des trames FDDI
Le format des trames FDDI générées par la couche MAC est le suivant (cf schéma 12) :
shéma 12
Il existe 2 types de trames :
ü La trame « jeton » : Trame extrêmement simple (à tel point qu’elle n’est même pas représentée sur le schéma !).
ü La trame FDDI : Elle ressemble beaucoup à la trame 802.5 (Token Ring).
Composée d’un premier champ de 16 symboles servant à synchroniser l’horloge, d’une adresse de source et de destination, et surtout d’un champs FRAME CONTROL qui indique le type de trame.
Le premier bit permet de distinguer la classe de transfert, le bit L indique la longueur du champ adresse, Les bits TT indiquent le type de trame et les ZZZZ sont éventuellement utilisés (priorité trames asynchrones…).
4 – Etude de la vie d’un jeton FDDI
La vie d’un jeton sur un réseau FDDI n’est pas si simple et les protocoles utilisés ont la lourde responsabilité de palier à tous les problèmes qui peuvent survenir en cas de panne, en cas de perte du jeton, de l’ajout et du retrait de nouvelles stations, etc…
4.1 – Initialisation de l’anneau
Processus également appelé processus de revendication du jeton ou CLAIM TOKEN.
Ce processus est utile afin d’initialiser la variable TTRT (Target Token Rotation Time) et pour décider qui génère le jeton. Il peut s’exécuter quand une station estime que le jeton est perdu.
TTRT = Durée de rotation totale du jeton dans l’anneau.
La négociation se déroule de la façon suivante : La station qui souhaite créer le jeton envoie une trame MAC de type « CLAIM TOKEN » contenant sa proposition (ou enchère) pour la valeur du
TTRT (qu’on peut noter TTRTi). Chaque station recevant la trame compare cette valeur à la sienne
(TTRTj).
ü Si TTRTj >TTRTi, la station s’incline et « passe » la trame à son suivant.
ü Si TTRTj<=TTRTi elle remplace la valeur TTRT par la sienne et fait suivre la trame (avec
sa propre adresse d’origine).
Lorsque la station émettrice de la trame la réceptionne à nouveau, elle se considère comme l’élue et génère le jeton…
Cette phase d’élection permet de prendre en compte la valeur la plus faible du TTRT et donc de ce fait, de privilégier la station qui a la plus forte contrainte.
4.2 – Circulation du jeton : 2 cas se présentent :
ü Une station récupère une trame étrangère : Si la trame la concerne elle lit les données et répète la trame.
ü Une station récupère une trame émise par elle-même : Après lecture des 5 premiers champs, la station remplace l’information par des symboles Idle avant retransmission. Ainsi sont créées des dépouilles de trames (éliminées par la station propriétaire du jeton).
4.3 – Politique de gestion du jeton :
La bande passante est partagée de manière assez équitable entre les messages urgents et les messages de priorité moindre. Il existe 2 classes de trafic :
ü Trafic synchrone : Une fraction minimale de la BP est allouée à chaque station (déterminée par le SMT) pour l’émission de données « urgentes ». Cette valeur est identique pour toutes les stations. Elle est calculée de telle sorte que Ó Si<=TTRT. A chaque réception du jeton, la
station dispose donc systèmatiquement d’une fenêtre « temps » pour émettre ses données synchrones.
ü Trafic asynchrone : Chaque station possède 2 temporisateurs. Le premier se nomme TRT (Token Rotation Time), il est initialisé à la valeur de TTRT au tout début ou quand le jeton est reçu à l’avance. Il décroît régulièrement, il mesure donc le temps écoulé depuis l’envoi du jeton…
Le second, THT (Token Holding Time) est calculé à chaque réception du jeton de la façon suivante :
THT = max {TTRT-TRT,0}
Si THT>0 (le jeton est en avance), la station peut envoyer ses trames asynchrones pendant la durée THT.
Si THT<=0 (jeton en retard), la station reste silencieuse.
En résumé, quelque soit le « timing » du jeton, la station a toujours le droit d’émettre son quota de trames synchrones… Quant aux trames asynchrones, elles sont émises uniquement quand le jeton est en avance.
Propriété imoprtante : Il est démontré que le retour du jeton est toujours borné à 2*TTRT. Il n’existe donc pas de dérive. Une station suspecte que le jeton est perdu si le jeton n’est pas revenu après 2*TTRT. Elle prend l’initiative d’émettre une proposition « Claim Token ».
5 - Gestion des pannes
En fonctionnement normal seul le réseau primaire est utilisé. Le réseau secondaire (sens inverse) est exploité en cas de défaillance lorsqu’un incident survient.
shéma 13
Typiquement, lorsqu’ un nœud se rend compte qu’un lien ne répond plus il redirige le flux vers le canal secondaire. Ce mécanisme s’appelle le « by-pass optique ». Dans certains cas l’anneau se subdivise en plusieurs sous-anneaux…
C’est la couche SMT qui se charge de surveiller tous ces changements. Une action corrective sur le réseau est indiquée par l’émission d’une trame de type Beacon.
VII - Autres Réseaux Locaux à haut débit
L’objectif de ce document n’est pas de décrire tous les réseaux locaux à haut débit existants. Néanmoins, parmi les plus connus décrits dans la littérature, en voici quelques uns. Certains sont plutôt considérés comme des réseaux de type MAN mais la frontière est parfois difficile à cerner.
DQDB (Distributed Queue Dual Bus) : Ce réseau est considéré comme un véritable MAN à part
entière c’est pourquoi j’ai préféré ne pas l’étudier. Le support de transport utilisé est celui proposé par un opérateur public, d’ailleurs la norme ne précise pas le type de support à employer.
DQDB a beaucoup de points communs avec ATM, on le considère d’ailleurs comme une technologie pré-ATM… Pour plus de détails concernant DQDB j’ai précisé dans la bibliographie quelques renvois à des livres qui traitent du sujet.
HIPPI : Une fois encore il s’agit d’un réseau un peu particulier car il est destiné à l’interconnexion
de super-ordinateurs (stations graphiques, super-calculateurs). Essentiellement implanté aux Etats-Unis il a été créé par le « Alamos National Laboratory » en 1987 à l’époque de la guerre froide. Les débits sont donc élevés (800Mbit/s initialement puis 1,6Gbit/s).
Fibre Channel : Présenté comme un remplaçant de HIPPI en 1993, Fibre Channel est une
technologie complexe de mise en œuvre basée sur un support fibre optique… Les classes de débits varient de 100,200,400 à 800Mbits/s.
VIII - TARIFS
France USA* Fast Ethernet / Gigabit Ethernet (3COM)
Carte Fast-Etherlink 10/100 PCI (3C905B-TX) 60 € 40 €
Carte Fast-Etherlink 100 PCI Fiber (3C905B-FX) 1236 €
Carte Fast-Etherlink 100 Base T4 (3C905-T4) 164 €
Hub 12 ports (SuperStack 3 baseline 10/100) 300 € 260 €
Hub commuté 24 ports (Switch SuperStack 10/100) 1850 € 1500 €
Carte Gigabit Server UTP (3C996B-T) 180 € 130 €
Carte Gigabit Server Fiber-SX (3C996-SX) 930 € 600 €
100VG AnyLan (Hewlett-Packard)
Carte HP Deskdirect 10/100 VG PCI 120 €
Hub HP AdvanceStack 100VG – 14 ports 1750 €
FDDI (3COM)
Carte FDDIlink PCI SC SAS (3C804) 400 €
Carte FDDIlink PCI SC DAS (3C805) 240 €
Carte FDDIlink PCI UTP SAS RJ45 (3C803) 700 €
Concentrateur CDDI/FDDI CB5000 12 ports 12000 €
Câblage
Cordon UTP cat. 5 de 5m 15 € 15 €
Cordon FO de 5m MMF 66 € 66 €
* conversion $ vers € effectuée
Cette grille de tarif a été constituée à partir d’informations récoltées sur des sites de vente par correspondance (INMAC pour la France et www.streetprice.com pour les USA). Le matériel sélectionné est essentiellement du 3COM. Ce matériel de qualité reste cher mais la garantie est à vie.
D’un simple coup d’œil on s’aperçoit rapidement que les prix aux USA sont moins élevés en moyenne. On remarque également que les matériels FDDI et 100VG AnyLan se trouvent pratiquement exclusivement aux Etats-Unis.
En France, Ethernet règne en maître incontesté. On remarque que le faible coût pour l’acquisition d’une carte 10/100 PCI est significatif de l’engouement du Fast Ethernet en France. Quant aux hubs et divers commutateurs, j’ai pris 2 exemples car la liste est longue : 1 hub simple répéteur et 1 hub commuté (le prix d’un hub commuté complexe 10/100/1000 peut dépasser les 80000Frs).
Le Gigabit coûte encore assez cher et ce n’est pas étonnant puisqu’on l’utilise pour l’instant assez exclusivement sur des dorsales de site.
IX - CONCLUSION
Même si les réseaux FDDI et 100VG AnyLan offrent des perspectives intéressantes, le roi des réseaux locaux aujourd’hui est l’inévitable Ethernet (plus de 80 %) et par conséquence le FAST ETHERNET et le GIGABIT.
Le succès de l’Ethernet rapide est principalement dû au faible coût économique de mise en place et à la grande compatibilité avec le parc existant Ethernet 10Mbit/s.
Faible coût pourquoi ? Parce que la plupart des bureaux des entreprises sont déjà câblés avec de la paire torsadée.
Evolution en douceur : Passer d’Ethernet à Fast Ethernet se réalise en douceur, il suffit de changer le câblage si on le souhaite (pas nécessairement obligatoire) et changer un hub de temps en temps en fonction des budgets…
100VG AnyLan : Maigre succès commercial sans doute dû à l’abandon d’IBM dans ce domaine. Cette technologie survit malgré tout aux Etats-Unis grâce aux efforts de Hewlett-Packard.
Le réseau 100VG AnyLan est considéré, de l’avis des spécialistes, comme un des réseaux 100Mbit/s les plus performants…
FDDI quant à lui, a quasiment disparu et n’est plus commercialisé. Son architecture et son coût élevé (utilisation de la fibre optique) ont été un frein à son développement. Il est toujours resté dominant dans le domaine des réseaux fédérateurs mais n’a jamais réussi à s’imposer sur le marché du raccordement des stations de travail (ultra-dominé par Ethernet). Son grand concurrent est l’ATM et le 100Base-T.
X - Bibliographie
Classement par ordre d’intérêt pour chaque technologie.
Ethernet & Ethernet rapide
ü « Réseaux » 3ème édition de A.Tanenbaum, éditions « Prentice Hall ». ü Les cours DESS TNI 2001/2002 de Alain Jean-Marie…
ü www.guill.net (la page des réseaux).
Gigabit Ethernet
ü www.ens-lyon.fr/~mherbert/DEA/Annexe_Gigabit/short_giga.html. ü www.guill.net (la page des réseaux).
100VG AnyLan
ü « Réseaux haut débit » 2ème édition de Pierre Rolin, éditions Hermes. ü www.guill.net (la page des réseaux).
FDDI
ü « Réseaux haut débit » 2ème édition de Pierre Rolin, éditions Hermes ü Les cours DESS TNI 2001/2002 de Alain Jean-Marie…
Autres Réseaux locaux haut débit
ü DQDB (Distributed Queue Dual Bus) : « Réseaux » 3ème édition de A.Tanenbaum, éditions « Prentice Hall ».
