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Les réseaux locaux  
 

 

1. Connaissances préalables
2. Introduction
3. 802.3 et Ethernet
4. 802.5 : Token Ring
5. 802.4 : Token Bus
6. ANSI X3T9.5: FDDI
7. 802.9: RNIS
8. CCITT X25
9. Frame Relay
10. ATM
11. 802.11: les réseaux sans fil
12. Introduction à l’administration de réseaux
13. Système d’exploitation des réseaux


1. Connaissances préalables

Le but de ce cours est de présenter les différents réseaux locaux normalisés, leurs caractéristiques, avantages et inconvénients.
Cette présentation rapide s’appuie sur quelques connaissances :
- Modèle OSI BRN et ses 7 couches
- Aperçu de TCP/IP
- Topologie physique et logique des réseaux
- Supports de transmission des réseaux
- Codage et multiplexage du signal
- Equipements de connexion et d’interconnexion (Répéteurs et HUB, Pont et Spanning Tree, B-Routeur et Routeur, Passerelle)

2. Introduction

2.1 Objectifs des réseaux locaux

Un réseau est un dispositif qui permet d’interconnecter différents matériels informatiques. Les réseaux Locaux appelés aussi LAN (Local Area Network) diffèrent des MAN (Metropolitan Area Network) et des WAN (World Area Network) de par leurs objectifs et caractéristiques.

Bien que pour les LAN ce soit la technique qui ait précédé les besoins (au départ on ne savait pas que faire d’une telle vitesse de transmission et on ne pensait vraiment pas pouvoir un jour les saturer) l’objectif était clair dès le départ. En effet le but premier d’un RL est économique : il permet de partager les ressources matérielles et logicielles entre les différents postes et utilisateurs.
L’avantage du partage des ressources matérielles est évident, les besoins en imprimantes, disques et même processeurs sont amoindris. Celui des ressources logicielles est moins flagrant sans être pour autant négligeable : on peut partager un fichier de configuration et ainsi gagner du temps d’administration, on peut aussi partager les logiciels afin de ne pas acheter autant de licences que de postes.
Les autres objectifs, communiquer à hauts débits, répartir les traitements, connecter tout le monde, etc. découlent de cet objectif principal : le partage pour l’économie. L’amélioration du rendement est en fait une conséquence de cet objectif.
Un LAN se distingue donc d’un WAN (ex : Internet) par son objectif radicalement différent.

2.2 Caractéristiques des réseaux locaux

Les caractéristiques suivantes sont communes à tous les réseaux locaux et permettent d’atteindre les objectifs fixés.

Liaison multipoint symétrique

Dans les RL on parle de liaison multipoint symétrique : multipoint est en opposition avec les liaisons point à point qui permettent de relier uniquement deux équipements comme deux ponts distants reliant deux RL d’une entreprise qui possède plusieurs bâtiments par exemple. Multipoint signifie qu’il y a plusieurs entrées sur la liaison. Symétrique signifie que l’on veut que tous les équipements reliés puissent discuter directement entre eux et non comme dans les réseaux où il y a un poste principal dit contrôleur et où un poste désirant communiquer avec un autre s’adresse au contrôleur qui passe le message au destinataire. Cette notion de symétrie implique donc d’établir des méthodes d’accès à la parole pour que chacun puisse parler.

Distance limitée

Les RL, pour obtenir des débits élevés, limitent leurs tailles de quelques dizaines de mètres à une dizaine de kilomètres. L’objectif étant de partager des équipements, cette distance est suffisante.

Haut débit global

Les WAN ont des débits relativement bas (Numéris de France Télécom : 64 Kbps), ils n’excèdent pas 2 Mbps. Par contre un LAN s’efforce d’obtenir des débits élevés, par exemple Ethernet : de 10 Mbps à 1 Gbps.

Remarque : ATM, qui est une technologie naissante devrait amener du 155 Mbps sur un WAN.

Faible délais

Le partage des fichiers nécessite des accès aux disques distants rapides sinon l’utilisateur transfère sur son disque le fichier, le modifie et le renvoie sur le disque partagé. Ceci pose un problème de cohérence lorsque plusieurs utilisateurs veulent accéder à un fichier. Avec un LAN, les temps d’accès au disque sont proches des temps d’accès à un disque local.

Faible taux d’erreur

Taux d’erreur d’un bus interne de PC :  10 e–15
Taux d’erreur d’un LA N :  minimum 10 e–9
       souvent 10 e–12
Le taux d’erreur correspond au nombre de bits qui s’inversent sur le nombre de bits transmis. Un taux de 10 –9 signifie qu’1 bit sur un milliard s’inverse. Ce chiffre paraît impressionnant mais sur Ethernet 10 Mbps cela correspond à plus d’une erreur toutes les 2 minutes.
Pour obtenir de hauts débits on ne peut pas se permettre d’émettre et de demander un accusé de réception, il faut émettre en continu en supposant que la réception est bonne. D’où  l’importance d’avoir des taux d’erreur aux alentours de 10-12 qui correspondent à moins d’une erreur toutes les 27h.

Diffusion

Lorsqu’un poste d’un RL émet tous les autres l’entendent. Si un poste entend un message qui n’est pas pour lui, il l’ignore.

Privé

Les RL doivent être administrés par leurs propriétaires : on ne passe pas par un opérateur.

Grand nombre d’utilisateurs

Les RL sont évidemment conçus pour accueillir un grand nombre de postes.

2.3 Les réseaux normalisés

Les organismes

Ce sont eux qui créent les normes qui permettent la compatibilité des matériels informatiques.

- AFNOR : Association Française pour la NORmalisation
- ECMA : European Computer Manufacturer Association (Une trentaine de fabricants de matériel informatique)
- ANSI : American National Standard Institute (Equivalent américain de l’AFNOR)
- IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers (Participe à l’ANSI, il est à l’origine des normes des RL)
- EIA : Electronic Industries Association (Participe à l’ANSI, il est à l’origine des RS 232,…)
- ISO : International Standard Organisation (Chapeaute les organisations nationales)
- UIT : Union Internationale des Communications
- CCITT : Chapeaute l’ensemble

Les normes IEEE

802.3 Bus logique sur un bus ou une étoile physique, c’est l’équivalent d’Ethernet
802.6  Bus logique sur un anneau physique
802.5 Anneau logique sur un anneau ou sur une étoile physique (Token Ring et FDDI)
802.4 Anneau logique sur un bus physique (Token Bus utilisé pour les RL industriels)
802.9 Réseaux numériques
802.11 Réseaux sans fil

Remarque : 802.1 décrit le contexte général
802.2 décrit la couche LLC (partie supérieure de la couche 2 de l’OSI BRN) commune aux différents RL

3. 802.3 et Ethernet

3.1 Introduction

Historiquement, c’est le premier réseau local et c’est aussi le réseau le plus utilisé à l’heure actuelle ( ? 85% des réseaux locaux ). Ethernet V1 a été inventé par Rank Xérox vers le milieu des années 70, à cette époque la micro n’existait pas encore et les ordinateurs communiquaient à 64 Kbps. Ethernet, avec son Mbps était donc vraiment un outil de luxe qu’on ne pensait jamais saturer.

Son principe est basé sur la diffusion des messages sur un bus logique qui peut être un bus ou une étoile physique. C’est à dire une station qui parle, envoie une trame contenant le message, sa propre adresse et l’adresse du destinataire sur le bus. Toutes les stations voient passer cette trame mais seule celle qui se reconnaît comme étant le destinataire la lit.

Par la suite IEEE a normalisé ce réseau et l’a nommé 802.3. Le nom Ethernet est une marque déposée par Digital, Rank Xérox et Intel. Nous trouverons donc deux types de réseaux compatibles et extrêmement proches : 802.3 et Ethernet V2 (V1 incompatible avec 802.3 a été abandonné en 82).

Avec ce type de réseaux on peut relier des dizaines, voir des centaines de stations avec un débit de 1,10 ou 100 Mbps et même aujourd’hui de 1 Gbps.

Remarque : au début des années 80 une carte Ethernet coûtait 10 000 F d’époque, aujourd’hui une carte coûte environ 100 F.

3.2 Notation IEEE 802.3

Les réseaux Ethernet se nomment 10Base5, 10BaseT, 10Broad36,etc. Ce sont des notations IEEE, elles dépendent du débit utilisé, du mode de transmission et du câblage utilisé.

Les débits possibles sont 1,10,100 Mbps et 1 Gbps.

Les modes de transmission sont :
- Bande de base (BaseBand), transmission numérique
- Large Bande (BroadBand), transmission analogique

Les cables utilisés sont :
- Gros coax
- coax fin (cheapernet ou ethernet fin)
- UTP (unshielded twisted pair) 3 et 5, c’est à dire paire torsadée téléphonique et paire torsadée de meilleur qualité
- Fibre Optique MMF (Multi Mode Fiber) et SMF (Single Mode Fiber)

La distance maximale entre deux répéteurs (IRL : Inter Repeater Link) dépend de l’atténuation du signal et donc de la qualité du support.

Voici les réseaux que l’on trouve :

- 10 Base 5 :  10 Mbps sur un gros coax avec 500 m max
- 10 Base 2 :  10 Mbps sur un coax fin avec 185 m max
- 1 Base 5 :  1 Mbps sur UTP 3 avec 250 m max
- 10 Base T : 1 Mbps sur UTP 3 avec 100 m max
- 10 Broad 36 :10 Mbps sur un gros coax avec 1800 m max
- 10 Base F :  10 Mbps sur fibre optique (MMF) avec 2000 m max
- 100 Base TX : 100 Mbps sur 2 paires UTP 5 avec 100 m max
- 100 Base FX : 100 Mbps sur 2 fibres optiques (MMF) avec 1000 m max
- 100 Base T4 : 100 Mbps sur 4 paires UTP 3 avec 100 m max
- 1000 Base SX : 1 Gbps sur fibre optique (MMF) avec 500 m max
- 1000 Base LX : 1 Gbps sur fibre optique (SMF) avec 3000 m max
- 1000 Base CX : 1 Gbps sur 4 paires UTP5 avec 25 m max

Un RL peut bien sûr mélanger plusieurs de ces réseaux. On trouve souvent par exemple du 10Base5 qui relie plusieurs 10BaseT. Mais dans tous les cas, il ne faut pas que les deux stations les plus éloignées doivent traverser plus de 5 segments dont au plus 3 en gros coax.

3.3 La méthode d’accès à la parole : CSMA/CD

On a vu que le principe d’Ethernet est que lorsqu’une station émet, où qu’elle soit tout le monde l’entend. Ce principe permet de ne pas avoir à effectuer de routage : l’information est diffusée partout. L’inconvénient majeur est qu’étant donné que sur un support un seul signal peut se propager à la fois, il faut que les stations parlent les unes après les autres.

Dans 802.3 et Ethernet la méthode choisie est CSMA (Carrier Sens Method Acces). Son principe est celui de la politesse : on ne parle que quand personne ne parle.

Lorsque la station veut émettre, elle écoute. Si personne d’autre n’émet, elle emet. Si une autre station émet, elle attend. Ensuite soit elle réessaye plus tard (CSMA non persistant, la méthode n’est plus utilisée), soit elle écoute et lorsque c’est libre elle émet (CSMA persistant).

Cette méthode a un inconvénient : lorsque deux stations attendent, elles vont émettre en même temps. Les deux signaux vont se superposer et être incompréhensibles. On appelle cela une collision. Pour résoudre ce problème on va effectuer une détection des collisions (CD : Collision Detection). D’où le nom de CSMA/CD.

Pour reconnaître une collision l’émetteur écoute son echo, si il correspond à ce qu’il émet c’est bon, sinon c’est qu’il y a une collision. Il émet alors un « JAM » pour avertir tout le monde qu’il y a eu une collision. Ensuite les stations qui voulaient parler calculent un nombre aléatoire et se mettent en veille pendant un temps proportionnel à ce nombre. Et ainsi de suite jusqu’à ce qu’elles puissent parler.

3.4 Limitations

Malgré la méthode de détection des collisions, certaines pourraient passer inaperçues. Par exemple si les stations A et B sont éloignés sur le RL, A peut émettre une trame très courte, écouter son écho et penser que tout est bon. Cependant il est possible que de l’autre coté B écoute, que la trame de A ne soit pas encore arrivée et donc émette. Une collision va se produire alors que A aura cru que tout s’était bien passé, sa trame serait perdue. Pour éviter cela, la norme impose une taille de trame minimum de 512 bits. Si le message n’est pas assez long, on rajoute des bits pour arriver à cette taille. Cependant ce n’est pas suffisant : si la taille du réseau n’est pas limitée, le problème peut toujours se produire.

On limite donc la taille du réseau en fonction du temps de retournement (Round Trip Delay) de la trame minimum et du débit. C’est à dire en fonction du temps que mettent 512 bits à faire l’aller retour entre les deux points les plus éloignés du réseau, puisqu’il faut pour détecter une collision qu’avant que la station ait fini d’émettre ses 512 bits le signal du premier bit soit arrivé au bout et que si une station du bout a émis un bit à ce moment, il ait eu le temps d’arriver. Donc, en résumé, il faut que le temps d’émission de 512 bits soit supérieur au temps d’un aller-retour du signal sur le réseau (Round Trip Delay).

Exemples :

En 10Base5
Temps d’émission de 512 bits à 10 Mbps = 512 / 107 = 51.2*10-6s
Le Round Trip Delay doit donc être inférieur à 51.2*10-6s.
Sur un gros coax, le signal se propage à environ 6*107 m/s.
L’aller retour doit donc être inférieur à 6*107 m/s * 51.2*10-6s, soit un peu plus de 3000m. Donc une distance maximum de 1500 m.

En 10Base2
Temps d’émission de 512 bits à 10 Mbps = 512 / 107 = 51.2*10-6s
Le Round Trip Delay doit donc être inférieur à 51.2*10-6s.
Sur un coax fin, le signal se propage à environ 2*107 m/s.
L’aller retour doit donc être inférieur à 2*107 m/s * 51.2*10-6s, soit un peu plus de 1000m. Donc une distance maximum de 500 m.

En 10BaseF
Temps d’émission de 512 bits à 10 Mbps = 512 / 107 = 51.2*10-6s
Le Round Trip Delay doit donc être inférieur à 51.2*10-6s.
La vitesse de la lumière dans une fibre optique est de 2*108 m/s.
L’aller retour doit donc être inférieur à 2*108 m/s * 51.2*10-6s, soit un peu plus de 10000m. Donc une distance maximum de 5000 m.

Une autre limitation est imposée pour stabiliser les conditions électriques du support et pour réinitialiser les processus liés aux couches 1 et 2. C’est le délai entre deux émissions de trame. Il est fixé en bit time, qui signifie le temps d’émission d’un bit. Le bit time sur un 10Base5 est de 0,1 micro seconde puisqu’en 1 seconde on émet 10 Mbits. Le délai étant fixé à 96 bits time, sur 10Base5 le délai inter trame est de 9.6 micro seconde, sur un 100BaseF de 0.96 micro seconde, …

3.5 Efficacité d’un réseau Ethernet

La méthode d’accès étant non déterministe (on ne peut prédire précisément le temps qu’une station attendra avant de parler), ce réseau est inadapté aux applications temps réels.

Il faut aussi remarquer qu’un réseau Ethernet ne supporte pas la charge : sur un 10Base5 si le débit demandé par les stations est inférieur à 3Mbps, le réseau fonctionne bien et le débit effectif sera d’environ 3 Mbps. Par contre si le débit demandé est supérieur à 3 Mbps, le nombre de collisions va aller croissant et le réseau va saturer. Le débit effectif pourra alors avoisiner le 0 Mbps. Pour palier à ce problème, si le réseau sature trop souvent l’administrateur devra ajouter des ponts pour limiter les domaines de collisions. Les performances s’accroîtront encore plus si l’on utilise des switch qui limitent encore plus les domaines de collision.

Ceci dit Ethernet est quand même un réseau performant, rapide, peu coûteux et facile à mettre en œuvre. C’est certainement pour cela qu’il est utilisé dans la plupart des RL.

3.6 Format de la trame Ethernet V2

Préambule : 1010101010….1010
SOF : 10101011
Type : à quelle service réseau est destiné le message (IP, Novell,…)
CRC : Calcul effectué sur les bits de la trame pour vérifier si la transmission s’est faite sans erreur.

3.7 Format de la trame 802.3

Préambule : 1010101010….1010
SOF : 10101011
Long : longueur du champs des données
Données : Dans les données sont intégrées les informations sur le service réseau à contacter.
PAD : Bourrage d’octet si la trame n’a pas assez de bits pour atteindre la taille minimale.
CRC : Calcul effectué sur les bits de la trame pour vérifier si la transmission s’est faite sans erreur.

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