Réseaux Informatiques : Cours reseaux tcp ip réseaux informatiques
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et TCP/IP
Pr. KaoutharCHETIOUI
kaoutharchetioui@gmail.com
Filière: Génie Informatique
Année universitaire 2019 -2020 de Chapitre 3
Evolution de l’Ethernet
GINFOK. Chetioui2 Motivations –Evolutions des besoins
Les réseaux locaux haut débit sont des réseaux locaux de 2ème génération –HSLAN (High Speed LAN), apparus durant les années 80, pour répondre à plusieurs besoins: Apparition des applications multimédia
Problème 1: Nécessité de débits d’accès plus grands pour le transport de gros volumes de données de type voix, image, vidéos, etc.
Apparition d’application Client / Serveur Problème 2: Chaque opération de lecture/écriture sur les fichiers distants nécessite un échange d’un grand nombre d’octets avec le serveur.GINFO 3
K. Chetioui
Motivations –limites de l’Ethernet
Interconnexion des réseaux locaux fédérés par un réseau Ethernet Problème3 –Problème de collisions, bande passante insuffisante :CSMA/CD ne convenait plus lorsque la charge globale dépassait un certain seuil.
Problème 4: La condition «2 * Tp*C = Lmin » pose problème:
de grandes quantités de bourrage sont ajoutées
L’efficacité du protocole est réduite
Le protocole ne garantit pas un délai d’accès adapté au trafic temps réel.GINFO 4
K. Chetioui
=> Contraintes fortes sur la taille maximale du réseau:
Ethernet 10 Mb/s : la taille maximale d’un domaine de collision est de 2500 m (5 répéteurs au maximum).
Ethernet 100 Mb/s : la taille maximale d’un domaine de collision est de 200 m (2 répéteurs au maximum).
Si la taille maximale du réseau a été maintenue à 2500 m:
=> la taille minimale d’une trame = 640 octets
=> gaspillage de la bande passante (beaucoup d’octets de bourrage)
NB: on suppose que Vp = 100 000 Km/s
K. Chetioui5 GINFO
Motivations –limites de l’Ethernet
Motivations –limites de l’Ethernet
Influence du délai de propagation et de la bande passante
Problème 5: lorsque les débits sont importants, le délai de propagation n’est pas négligeable par rapport au temps de transmission d’une trame.
Apparition des applications temps réel (TR)
Problème 6: La taille de la trame Ethernet de petite taille (64 octets) pose problème –une trame TR peut être pénalisée par le transfert d’une trame de données asynchrone (fichier de grande taille).
2 solutions: Trame MAC segmentée en blocs de petite taille afin d’éviter l’attente prolongée
Prise en compte de la priorité à l’accès en faveur du temps réel.GINFO 6
K. Chetioui
Evolution vers le haut débit
La couche MAC et la couche physique sont inadaptées pour des débits d’une centaine de Mb/s:
Evolution de la sous-couche MAC pour le haut débit
Evolution de la couche physique pour le haut débit
Evolution des supports de transmissions et des équipements de connexion.
K. Chetioui7 GINFO
Principales évolutions d’Ethernet
Ethernet commuté (Switched Ethernet)
Fast Ethernet ou 100baseT
Gigabit Ethernet ou 1000baseT ou 1GbaseT; 10GbaseT
K. Chetioui8 GINFOPLAN Ethernet commuté
La norme Fast Ethernet
La norme Gigabit EthernetGINFO 9
K. ChetiouiPLAN Ethernet commuté
La norme Fast Ethernet
La norme Gigabit EthernetGINFO 10
K. Chetioui
Ethernet : Utilisation des HUBs
Position du problème d’Ethernet classique:
Utilise un support de transmission partagé et une méthode de contrôle d’accès basée sur la détection de collision.
Utilise les hubspour interconnecter les nœuds sur un segment du réseau local.
Les hubs n’effectuent aucun type de filtrage de trafic. Ils transfèrent tous les bits à toutes les stations qui lui sont connectées.GINFO 11
K. Chetioui
Ethernet : Utilisation des HUBsGINFO 12
K. Chetioui
Faibles performances au niveau des réseaux Ethernet causées par l’utilisation des Hubs.
La bande passante est partagée entre les 12 stations connectées sur le réseau.
Le nombre de collision augmente puisqu’il y a un seul domaine de collision sur tout le réseau.
Rappel sur:
Domaine de collision et domaine de broadcast
DOMAINE DE DIFFUSION: Un domaine de diffusion (broadcast domain) est une zone logique d'un réseau informatique où un ordinateur quelconque connecté au réseau peut directement transmettre à tous les autres ordinateurs du même domaine, sans devoir passer par un routeur.
DOMAINE DE COLLISION: Un domaine de collision est une zone logique d'un réseau informatique où les paquets de données peuvent entrer en collision entre eux, dans un réseau Ethernet. Un domaine de collision peut être un seul segment de câble Ethernet, un seul concentrateur ou même un réseau complet de concentrateurs et de répéteurs.
K. Chetioui13 GINFO
Etude de Cas -1
un réseau basé sur un Routeur, un Concentrateur et quelques PC répartis dans 2 sous-réseaux différents.
Question: Combien de domaines de collision et de domaine de broadcast existent dans ce réseau?
K. Chetioui14 GINFO
Etude de Cas -1
un réseau basé sur un Routeur, un Concentrateur et quelques PC répartis dans 2 sous-réseaux différents.
Réponse:
K. Chetioui15 GINFO
Ethernet commuté : Utilisation de commutateur
La technologie Ethernet commuté abandonne le principe du médium diffusant partagé.
Améliore la bande passante
Le bus Ethernet est directement raccordé sur chacun des ports du commutateur de trames Ethernet. GINFO
K. Chetioui16 Un seul équipement par segment Ethernet pas de collision
Ethernet commuté : Utilisation de commutateur
Dans un LAN où tous les noeuds sont connectés directement au commutateur, le débit du réseau augmente de façon spectaculaire. Les trois principales raisons de cette augmentation sont:
Une bande passante dédiée à chaque port
Environnement sans collision
Fonctionnement en duplex intégral (Full-duplex): avant l’Ethernet commuté, Ethernet classique était uniquement half-duplex.GINFO 17
K. Chetioui
Full duplex vs Half duplex
La liaison half-duplex (parfois appelée liaison à l'alternat ou semi-duplex) caractérise une liaison dans laquelle les données circulent dans un sens ou l'autre, mais pas les deux simultanément. Ainsi, avec ce genre de liaison chaque extrémité de la liaison émet à son tour. GINFO18 K. Chetioui
La liaison full-duplex (appelée aussi duplex intégral) caractérise une liaison dans laquelle les données circulent de façon bidirectionnelle et simultanément. Ainsi, chaque extrémité de la ligne peut émettre et recevoir en même temps
La liaison simplex caractérise une liaison dans laquelle les données circulent dans un seul sens, c'est-à-
dire de l'émetteur vers le récepteur.
Source: l
Commutateur et domaines de collision:
Les commutateurs permettent la segmentation d’un LAN en des domaines de collision séparés. Chaque port du commutateur représente un domaine de collision séparé et fournit une bande passante entière pour le noeud ou les noeuds connectés à ce port.GINFO 19
K. Chetioui
Ethernet commuté : 2ème solution Utilisation de commutateur
Exemples de domaines de collisionGINFO 20
K. Chetioui
Etude de cas -2
Question: Avec 2 Commutateurs, quelles seraient les implications sur la Diffusion et la Collision ?
K. Chetioui21 GINFO
Etude de cas -2
Réponse:
K. Chetioui22 GINFO
Etude de cas -3
On aurait une multitude de Domaines de Collision, mais toujours 1 seul Domaine de Diffusion.
Question: Comment faire pour avoir plusieurs domaines de diffusion?
K. Chetioui23 GINFO
Etude de cas -3
On aurait une multitude de Domaines de Collision, mais toujours 1 seul Domaine de Diffusion.
Réponse:
K. Chetioui24 GINFO
Règles générales
Règle 1: Généralement, un concentrateur forme un seul domaine de collision alors qu'un commutateur ou un routeur en crée un par port, ce qui réduit les risques de collision. Règle 2: Lorsque l'Ethernet est utilisé en mode duplex (full-duplex), il n'y a plus de domaine de collision, car aucune collision n'est possible.
K. Chetioui25 GINFO
Fonctionnement d’un commutateur
GINFOK. Chetioui26 Caractéristiques d’un commutateur
un commutateur analyse les trames, un hub ne fait que d'amplifier le signal pour le renvoyer vers tous les équipements connectés. Un commutateur dispose d’une capacité mémoire si plusieurs trames veulent accéder simultanément au même port.
A la différence d'un routeur, il ne permet pas de connecter des réseaux de classes d'adresses IP différentes.
K. Chetioui27 GINFO
Caractéristiques d’un commutateur
un commutateur peut, contrairement à un hub, travailler en Full duplex: il peut émettre et recevoir les données sur un même port réseau simultanément, donc en bidirectionnel, en multipliant par deux le taux de transfert. Il est de type "Auto Negociation" s'il détecte automatiquement le mode full ou half duplex selon l'équipement connecté. K. Chetioui28 GINFO
Caractéristiques d’un commutateur
Un commutateur enregistre dans une table de correspondance interne les adresses MAC associées aux nœuds connectés à chacun de ses ports physiques et ne transmet les données que vers le connecteur associé. K. Chetioui29 GINFO
Exemple d’une table MAC GINFO30 K. Chetioui
Méthodes de commutation
La méthode de commutation utilisée est liée aux types de données échangées, à l'architecture du réseau mais aussi au niveau deperformances requis.
Plusieurs méthodes de commutation sont proposées par les constructeurs:
Store and Forward (le modèle standard)
Cut Through ou On the fly
Des variantes
Cut Through Runt Free(Fragment Freedans les modèles CISCO)
Adaptive Cut Through
K. Chetioui31 GINFO
Store and Forward
Le commutateur enregistre toutes les trames en mémoire avant de les transmettresur le port associé à l'adresse de destination. Avant d'enregistrer les trames, il vérifie leur intégrité en les analysant au niveau de la détection des erreurs (en recalculant le CRC). Le switch ne transfère pas les trames incomplètes.
Avec cette méthode, il est possible de mélanger des connexions en cuivre avec de la fibre optique ou même d'utiliser plusieurs vitesses de connexions, vue que le commutateur stocke toute la trame avant de la transmettre.
Le temps de latence dépend de la taille des trames, d'où un ralentissement lors de transferts de gros fichiers, également limitée par le MTU (Maximum Transmission Unit).
K. Chetioui32 GINFO
K. Chetioui33 GINFO
Store and Forward
Store and Forward vs Cut-Through
K. Chetioui34 GINFOSwitch Méthode Cut Through
CutThrough(FastForward): le commutateur envoie la trame sans attendre de la recevoir en totalité.
Le commutateur n'enregistre pas les trames et ne décode dans l'en-tête que l'adresse Mac de destination. Il ne lit pas le contenu du message. Cette solution plus rapide mais plus risquée car elle diminue la fiabilité: des trames corrompues pourraient être transférées.
La méthode de commutation cut-throughpure est possible uniquement quand la vitesse de transmission sur l’interface de sortie(outgoinginterface) est égale à celle de l’interface d’entrée (incominginterface).
K. Chetioui35 GINFO
Méthode Cut Through
2 variantes:
Cut Through Fragment Free: En cas de collision sur le réseau Ethernet, un RUNT de moins de 64 octets est envoyé.De fait, ces switchs analysent les 64 premiers bytes de chaque trame. Elle n'est envoyée que si la longueur est de 64 bytes minimum et ignorée sinon. L'avantage est un faible temps de latence.
Adaptive Cut Throughintègre surtout une correction d'erreurs.Ils enregistrent les ports avec des erreurs répétitives. Lorsqu'un seuil est dépassé, le port commute en mode Store and Forward. Si le taux d'erreurs redevient normal, le port du commutateur revient en Cut Through.
K. Chetioui36 GINFO
Méthode Cut Through
Retransmission de trames erronées:
Trames trop courtes (Runt)
Trames trop longues (Jabber)
Trames comportant un nombre de bits non divisible par 8 (Misaligned)
Trames dont le FCS est faux
K. Chetioui37 GINFO
Méthodes de commutation
Comparaison
K. Chetioui38 GINFO
Cut-Through: La plus faible Latence
Pas de véification d’erreurs
Cut-Through Fragment Free:
Latence faible
Filtre la plupart des erreurs
Store and Forward:
Latence élevée
Toutes les erreurs sont filtrées PLAN
Ethernet commuté
Réseaux Fast Ethernet
Réseaux Gigabit EthernetGINFO 39
K. Chetioui
Fast Ethernet
Standard IEEE 802.3u approuvé en juin 1995 (groupe de travail IEEE 802.14).
Méthode d’accès: CSMA/CD identique à celle d’Ethernet:
Émission sur le support à des instants aléatoires
Possibilité de collision lors de l’accès au support
Une station écoute le canal avant d’émettre
N’émet que si le canal est libre
Pour pouvoir détecter une éventuelle collision, la station écoute aussi le canal pendant sa propre transmission.
Utilise le protocole d’auto-négociation: permet l’adaptation automatique du port du hub au débit 10 ou 100Mb/s
K. Chetioui40 GINFO
Taille minimale d’une trame maintenue à 64 octets:
=> Contraintes fortes sur la taille maximale du réseau:
Ethernet 10 Mb/s : la taille maximale d’un domaine de collision est de 2500 m (5 répéteurs au maximum).
Ethernet 100 Mb/s : la taille maximale d’un domaine de collision est de 200 m (2 répéteurs au maximum).
Si la taille maximale du réseau a été maintenue à 2500 m:
=> la taille minimale d’une trame = 640 octets
=> gaspillage de la bande passante (beaucoup d’octets de bourrage)
K. Chetioui41 GINFO
Fast Ethernet
2 * d= Lmin Vp C
Paramètres du protocole Fast Ethernet
Récapitulatif
Débit = 100 Mb/s
Taille minimale d’une trame maintenue:L min
= 64 octets = 512 bits.
Time-Slot = 5,12 μs
délai inter-trame = 0,96 μsGINFO 42
K. Chetioui
Variétés de Fast Ethernet
Fast Ethernet (100Mbit/s) :
100BASE-T --Un terme pour n'importe lequel des standards 100Mbit/s sur paire torsadée. Inclut 100BASE-TX, 100BASE-T4et 100BASE-T2. 100BASE-TX--Utilise deux paires et requiert du câble Cat-5. 100BASE-T4--Permet le 100 Mbit/s (en half-duplex seulement) sur du câble CAT-3, 4 et 5 UTP (qui était utilisé dans les installations 10BASE-T). Utilise les quatre paires du câble. Devenu Obsolète. 100BASE-T2--Aucun produit n'existe. Supporte le mode full-duplex
et utilise seulement deux paires, avec des câbles CAT-3. 100BASE-FX--Ethernet 100Mbit/s sur fibre optique. GINFO43 K. ChetiouiPLAN Ethernet commuté
Réseaux Fast Ethernet
Réseaux Gigabit EthernetGINFO 44
K. Chetioui
Le groupe de travail du IEEE802.3z s’est fixé notamment les buts suivants pour la standardisation du Gigabit Ethernet:
Avoir une vitesse de 1000 Mbps Utiliser le format de trame d’Ethernet 802.3 Préserver la taille minimum et maximum des trames du standard 802.3 Permettre des opérations en half duplex et full duplex Avoir une topologie physique en étoile Utiliser la méthode d’accès CSMA/CD supportant au moins un répéteur par domaine de collision Avoir un domaine de collision dont le diamètre est égal à 200 mètres Utiliser la technologie Fibre Channel pour la couche physique Ces objectifs sont fixés de telle sorte qu’il y ait un minimum de changements à apporter au réseau Ethernet déjà existant.
K. Chetioui45 GINFO
Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet
Une extension d’Ethernet 10 et 100 Mb/s
normalisé en juin 1998 : IEEE 802.3z
Le contrôle d’accès et les collisions sont gérés par le protocole CSMA/CD:
Mais la taille minimale de 64 octets n’est plus maintenue. Sinon, distance maximale = 25m
Le comité IEEE 802.3z a modifié la taille minimale d’une trame:
Passe de 512 bits à 512 octets
Une distance de 200 m peut ainsi être couverte
K. Chetioui46 GINFO
Gigabit Ethernet
K. Chetioui47 GINFO
Au niveau de la sous-couche MAC du Gigabit Ethernet, pour assurer une compatibilité avec les tailles des trames Ethernet courtes, deux techniques sont utilisées :
Carrier Extensionou Extension de porteuse, si taille inférieure à 512 octets.
Frame Bursting ou pipelining de transmission: agrégation des petites trames.
K. Chetioui48 GINFO
Gigabit Ethernet
Compatibilité avec les adressages Ethernet et Fast Ethernet.
Gigabit Ethernet
Technique d’Extension de porteuse
Le slot time passe de 512 temps bits à 512 temps octets
correspond au temps d’un aller-retour sur le domaine de collision
C’est également la valeur utilisée par l’algorithme de retransmission BEB (Binary Exponential Backoff)
Pour assurer la compatibilité avec Ethernet 10 et 100 Mb/s (=> pouvoir envoyer efficacement des trames vers les réseaux plus lents.)
garder la taille minimum de trame de 64 octets (512 bits)
K. Chetioui49 GINFO
Lorsquel'émissionsefaitsurleGigabitEthernet,uneextension
estajoutéeaprèschaquetrame,afind'atteindresinécessaire
512octets.
L'émetteurenvoieunetrame.S’ilnedétectepasdecollision,il
regardelalongueurdelatramequ’ilvientd’envoyer.
Silalongueurestd’aumoins512octets,ilaterminélatransmission
desatrame.
Parcontre,silalongueurestpluspetitequeladuréed’unslottime,
l'émetteurtransmetjusteaprèslatramedessymbolesspéciaux
(appeléscarrierextension)jusqu’àlafinduslottime.Acemoment,
ilaurafinilatransmissiondesatrame.
Siunecollisionseproduitauniveaudel’extension,latrame
entièreestrejetée.
K. Chetioui50 GINFO
Gigabit Ethernet
Technique d’Extension de porteuse
L’Extension de porteuse est une opération locale qui est répétée à chaque domaine de collision. 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. K. Chetioui51 GINFO
Gigabit Ethernet
Technique d’Extension de porteuse
Objectif:
Limiter le gaspillage de bande passante liée aux émissions des symboles d’extension de porteuse (chute des performances du réseau, augmentation des risques de collisions).
Principe:
Une station peut émettre une première trame si nécessaire avec le «carrier extension »
Si à la fin de l’émission aucune collision n’est observée, la station peut émettre la suite de ses données structurées en trames Ethernet classiques
Le délai inter trame (IFG) de 0,96 μs pour Gigabit Ethernet est comblé par des bits de bourrage
=> éviter qu’une autre station ne détecte le support libre et se décide à émettre
K. Chetioui52 GINFO
Gigabit Ethernet
Technique de Frame Bursting
Le Frame Bursting consiste à transmettre une suite de trames appelée burst. Ce burst a une longueur comprise entre 512 octets et un peu moins de 3000 octets. Éviter le monopole de la bande passante
Cette technique utilise un timer appelé burst timer qui permet de connaître le nombre de bits émis. Si sa valeur est égale au temps pour émettre 1500 octets, aucune nouvelle émission de trame ne peut commencer.
K. Chetioui53 GINFO
Gigabit Ethernet
Technique de Frame Bursting
Exemple de structure d'un burst :
K. Chetioui54 GINFO
Gigabit Ethernet
Technique de Frame Bursting
Variétés de Giga Ethernet
Gigabit Ethernet (1000Mbit/s) :
1000BASE-T--1Gbit/s sur câble de paires torsadées de catégorie 5 ou supérieure, sur une longueur maximale de 100m;
1000BASE-X--1Gbit/s qui utilise des interfaces modulaires (appelés GBIC) adaptées au média (Fibre Optique Multi, Mono-mode, cuivre);
1000BASE-SX(Short wavelength) --1Gbit/s sur fibre optique multimodes à 850nm;
1000BASE-LX(Long Wavelength) --1Gbit/s sur fibre optique monomodes et multimodes à 1300nm;
1000BASE-LH(Long Haul) --1Gbit/s sur fibre optique, sur longues distances;
1000BASE-ZX--1Gbit/s sur fibre optique monomodes longues distances;
1000BASE-CX--Une solution pour de courtes distances (jusqu'à 25m) pour le 1Gbit/s sur du câble de cuivre spécial. GINFO55 K. Chetioui
Gigabit Ethernet –4 versions
K. Chetioui56 GINFO
Variété d’Ethernet: RécapitulatifGINFO 57
K. Chetioui